JP2015118025A - キャピラリーナノファイバー、検出システム及び検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 キャピラリーを用いた極微量物質の検出技術において、より一層微量のサンプルで極微量物質を検出する。【解決手段】 本発明のキャピラリーナノファイバー１は、ナノキャピラリー２と、第１ナノ光ファイバー４とを備える。ナノキャピラリー２は、内部に光透過性液体を流通させる貫通孔２ａが形成された光透過性を有する第１管部１１を含み、第１管部１１の外径が、第１管部１１を伝搬する光の波長以下のサイズである。また、第１ナノ光ファイバー４は、外径が第１管部１１を伝搬する光の波長以下のサイズである第１光導波路を有し、第１光導波路の一部が第１管部１１の一方の端部側のナノキャピラリー２内の所定位置に接続され、第１光導波路の一部を介してナノキャピラリー２を伝搬する光の一部を取り込む。【選択図】 図１

Description

本発明は、液体中の極微量物質を検出するためのキャピラリーナノファイバー、それを備える検出システム、及び、該検出システムを用いた極微量物質の検出方法に関する。

近年、医療検査技術やバイオ技術などの進展に伴い、水溶液中に存在する様々なバイオ分子の種別を極微量及び／又は高感度の条件で検出可能にする技術のニーズが高まっている。

一般的なバイオ定量技術としては、抗原抗体反応を用いるエンザイムイムノアッセイ法が知られている。この手法は、オフラインでバイオ分子を色素等で修飾し（ラベリングし）、色素の蛍光を測定してバイオ分子を検出する手法であり、この手法（ラベリング法）によれば、単一分子も高感度で検出することができる。

また、従来、分子等の極微量物質にラベリングを施さない手法（ラベリングフリー法）により、水溶液中の極微量物質を検出する技術も種々提案されている。ラベリングフリー法の中でも有望な手法としては、極微量物質固有の屈折率を計測し、その計測結果に基づいて水溶液中の極微量物質を検出する屈折率計測法が挙げられる。そして、この屈折率計測法としては、光共鳴を用いる手法（例えば、表面プラズモン共鳴法、リング共振器法、ファブリーペロー共振器法等）、マイクロ／ナノ流路を用いる手法（例えば、ナノメンブレン法、ナノ多孔質シリコンセンサーを用いる手法等）、又は、これらの２つの手法を組み合わせた手法（例えば、フォトニック結晶法、多ナノ流路ファブリーペロー法等）が提案されている（例えば、特許文献１及び２、並びに、非特許文献１参照）。

国際公開第２０１２／０９９８４８号 国際公開第２０１３／０７０９４８号

X. Fan, I. M. White，"Optofluidic microsystems for chemical and biological analysis."，Nature Photonics，Vol.5，第591-597頁，2011年

上述のように、従来、医療検査技術やバイオ技術などの分野では、水溶液中のバイオ分子等の極微量物質を検出するための手法が種々提案されている。しかしながら、この技術分野では、さらに、より一層微量のサンプルで、水溶液中の極微量物質を検出する技術の開発が求められている。

本発明は、上記要望に応えるためになされたものであり、本発明の目的は、より一層微量のサンプルで、極微量物質（単一分子レベルの極微量分子等）を検出可能とする技術を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のキャピラリーナノファイバーは、ナノキャピラリーと、第１ナノ光ファイバーとを備える。ナノキャピラリーは、内部に光透過性液体を流通させる貫通孔が形成された光透過性を有する第１管部を含み、第１管部の外径が、第１管部の貫通孔に光透過性液体が流通した状態で第１管部を伝搬する光の波長以下のサイズである。また、第１ナノ光ファイバーは、外径が第１管部を伝搬する光の波長以下のサイズである第１光導波路を有し、第１光導波路の一部が第１管部の一方の端部側のナノキャピラリー内の所定位置に接続され、第１光導波路の一部を介してナノキャピラリーを伝搬する光の一部を取り込む。

また、本発明の検出システムは、上記本発明のキャピラリーナノファイバーを備える検出システムであり、上記本発明のナノキャピラリーと、上記本発明の第１ナノ光ファイバーと、第１ナノ光ファイバーで取り込まれた光の一部を検出する光検出部と、を備え、光検出部の検出結果に基づいて、光透過性液体に含まれる所定の極微量物質を検出する。

さらに、本発明の検出方法は、上記本発明の検出システムを用いた極微量物質の検出方法であり、次の手順で行われる。まず、光ファイバーが、光導波路の一部を介してキャピラリーを伝搬する光の一部を取り込む。次いで、光検出部が、光ファイバーにより取り込まれた光の一部を検出する。そして、光検出部の検出結果に基づいて、光透過性液体に含まれる所定の極微量物質が検出される。

上述のように、本発明のナノキャピラリーナノファイバーでは、ナノキャピラリーの第１管部の外径は、第１管部を伝搬する光の波長以下のサイズであり、ナノキャピラリーを伝搬する光の一部を取り込む第１ナノ光ファイバーの第１光導波路の外径は、伝搬光の波長以下のサイズである。すなわち、本発明では、極微小領域（後述のようにフェムトリットルオーダーの領域）に、極微量物質を含む光透過性液体及び伝搬光（後述のプローブ光又は蛍光）が局在した状態を生成することができる。

それゆえ、本発明によれば、より一層微量のサンプルで、極微量物質（単一分子レベルの極微量分子等）を検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 第１の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーに設けられた共振器の一構成例を示すＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）写真である。 第１の実施形態に係るナノキャピラリーの製造手法を説明するための図である。 第１の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーに設けられた共振器の共振特性（光スペクトル分布）の一例を示す図である。 第１の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーを用いた検出システムのブロック構成図である。 第１の実施形態に係る検出システムによる極微量物質の検出処理の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 第２の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーに設けられた共振器の一構成例を示す図である。 第２の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーを用いた検出システムのブロック構成図である。 第２の実施形態に係る検出システムによる極微量物質の検出処理の手順を示すフローチャートである。 変形例１のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 変形例１のキャピラリーナノファイバーを用いた検出システムのブロック構成図である。 変形例２−１のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 変形例２−２のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 変形例２−３のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。 変形例２−４のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。

以下に、本発明の各種実施形態に係るキャピラリーナノファイバー及びそれを備える検出システムの構成例を、図面を参照しながら説明する。

＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、ラベリングフリー法の一つである屈折率計測法により水溶液（サンプル）中の極微量物質（単一分子レベルの極微量分子、ナノ粒子等）を検出するためのキャピラリーナノファイバー及びそれを備える検出システムについて説明する。

［キャピラリーナノファイバーの構成］
まず、本発明の第１の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーの構成を、図１を参照しながら説明する。なお、図１は、第１の実施形態のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。

キャピラリーナノファイバー１は、図１に示すように、ナノキャピラリー２と、光入力用ナノ光ファイバー３（第２ナノ光ファイバー）と、光出力用ナノ光ファイバー４（第１ナノ光ファイバー）とを備える。

本実施形態のキャピラリーナノファイバー１では、光入力用ナノ光ファイバー３の一部が、ナノキャピラリー２の後述する一方（液体流入側）の接続部１２の外周面に接続され、光出力用ナノ光ファイバー４の一部が、ナノキャピラリー２の後述する他方（液体流出側）の接続部１２の外周面に接続される。なお、各ナノ光ファイバーは、後述するように、対応する接続部に例えば加熱融着等の手法により接続される。これにより、各ナノ光ファイバーとナノキャピラリー２との接続領域には、マイクロファイバーカプラが構成される。

［ナノキャピラリーの構成］
次に、本実施形態のナノキャピラリー２の構成を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、図２は、本実施形態のナノキャピラリー２に設けられた共振器の一構成例を示すＳＥＭ写真である。

ナノキャピラリー２は、図１に示すように、ナノ流路部１１（第１管部）と、ナノ流路部１１の各端部に接続された接続部１２（第４，第５管部）と、各接続部１２のナノ流路部１１側とは反対側の端部に設けられたキャピラリー本体部１３（第２，第３管部）とを備える。

ナノキャピラリー２は、例えばシリカ等の光透過性材料で形成された円筒状部材であり、その内部には、ナノキャピラリー２の延在方向に沿って貫通孔２ａが設けられる。極微量物質（被検出物質）の計測時には、ナノキャピラリー２の貫通孔２ａに検査対象となるサンプルの水溶液（光透過性液体）が流動される。それゆえ、ナノキャピラリー２の貫通孔２ａは検査対象となるサンプル（水溶液）の流路になる。

また、ナノキャピラリー２は、後述のように、従来、一般的に使用されているキャピラリー管の一部（ナノ流路部１１に対応する領域）を加熱延伸して作製される。それゆえ、貫通孔２ａの径（ナノキャピラリー２の内径）は、ナノキャピラリー２の延在方向に沿って一定ではなく、接続部１２では、キャピラリー本体部１３からナノ流路部１１に向かって連続的に小さくなり、ナノ流路部１１において最小となる。なお、詳細な説明は省略するが、ナノ流路部１１における外径と内径との比は、キャピラリー本体部１３における外径と内径との比とほぼ同じ値であり、このことは、本発明者の検証実験により確認されている。

ナノ流路部１１は、その外径がナノ流路部１１を伝搬する光（後述のプローブ光）の波長程度以下のサイズに設定された円筒状部材である。具体的には、ナノ流路部１１の外径は、サブミクロンオーダー（数百ナノオーダー）のサイズに設定される。なお、ナノ流路部１１の外径は、例えばナノ流路部１１を伝搬する光の強度分布（光の閉じ込め量）などの特性を考慮して適宜設定され、好ましくは、伝搬光の波長の１／２程度、より好ましくは、伝搬光の波長の２／３程度のサイズに設定される。

また、本実施形態では、後述するように、貫通孔２ａに水溶液を流動させた状態で、光入力用ナノ光ファイバー３からナノ流路部１１に、屈折率変化計測用の光（以下、プローブ光という）が入射される（後述の図５参照）。この際、水溶液の屈折率はナノ流路部１１の形成材料であるシリカの屈折率に近い値であるので、ナノ流路部１１は光導波路（ナノ光ファイバー）として作用し、入射されたプローブ光がナノ流路部１１を伝搬する。

すなわち、本実施形態では、極微量物質の屈折率計測時には、ナノ流路部１１内の貫通孔２ａは、水溶液（サンプル）のナノサイズの微小流路として作用するだけでなく、プローブ光の光導波路としても作用する。なお、ナノ流路部１１の外径は上述のように伝搬光（プローブ光）の波長程度以下のサイズであるので、ナノ流路部１１において、プローブ光は、近接場光として伝搬し、該プローブ光の一部がナノ流路部１１の周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で伝搬する。

さらに、本実施形態では、ナノ流路部１１の中央部の外周面に共振器１４が設けられる。具体的には、図２に示すように、ナノ流路部１１の外周面に、ナノ流路部１１の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部１５（凹凸パターン）により構成された共振器１４が設けられる。

各微小凹部１５は、お椀状の凹部であり、その開口形状は円形である。また、各微小凹部１５の深さは、各微小凹部１５の底部がナノ流路部１１の貫通孔２ａに到達しないような深さに設定される。また、各微小凹部１５の開口サイズ及び隣り合う２つの微小凹部１５間の配置間隔（以下、微小凹部１５のピッチという）は、略均一である。なお、各微小凹部１５の開口サイズ及び微小凹部１５のピッチは、ナノ流路部１１を伝搬するプローブ光の波長に応じて適宜設定される。例えば、プローブ光の波長と、共振器１４の共鳴波長とが略同一になるように、各微小凹部１５の開口サイズ及び微小凹部１５のピッチが設定される。

なお、本実施形態では、図２に示すように、各微小凹部１５の開口サイズ及び微小凹部１５間のピッチは、サブミクロンオーダーのサイズで非常に精度良く均一に形成される。また、各微小凹部１５の深さも、サブミクロンオーダーのサイズとなる。このような複数の微小凹部１５からなる共振器１４の作製手法については、後で詳述する。

接続部１２は、その外径がナノ流路部１１からキャピラリー本体部１３に向かって連続的に大きくなる円筒状部材である。すなわち、接続部１２は、その外径がナノ流路部１１からキャピラリー本体部１３に向かってテーパー状に広がった円筒状部材である。なお、接続部１２の内部に形成された貫通孔２ａもまた、その直径がナノ流路部１１からキャピラリー本体部１３に向かってテーパー状に広がった孔（流路）となる。

また、本実施形態では、従来のキャピラリー管の一部（ナノ流路部１１に対応する領域）を加熱延伸してナノキャピラリー２を作製するので、キャピラリー本体部１３は、従来のキャピラリー管と同様の構成を有する。すなわち、キャピラリー本体部１３の外径及び内径（貫通孔２ａの直径）のサイズは、従来、一般的に使用されているキャピラリー管のそれらと同様のサイズになる。

なお、ナノキャピラリー２の構成は、図１及び図２に示す例に限定されず、例えば、外径が数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズであり、該外径が延在方向に沿って均一であるようなキャピラリー管を用いてもよい。

［各ナノ光ファイバーの構成］
光入力用ナノ光ファイバー３は、断面形状が円形であるコア及びクラッドを有する光ファイバーで構成される。なお、本実施形態では、光入力用ナノ光ファイバー３は、従来、一般的に使用されている通信用光ファイバーの一部（ナノキャピラリー２の接続部１２との接続部分及びその近傍領域）を加熱延伸して作製される。それゆえ、光入力用ナノ光ファイバー３は、図１に示すナノキャピラリー２の外形とほぼ同じ外形を有する。

すなわち、光入力用ナノ光ファイバー３は、直径が、光入力用ナノ光ファイバー３を伝搬する光（プローブ光）の波長程度以下のサイズ（コアの直径が、数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズ）であるナノ光導波路部（第１光導波路）と、その両端にそれぞれ設けられたテーパー形状の接続部と、各接続部のナノ光導波路部側とは反対側の端部に設けられたファイバー本体部とを備える。

なお、図１には、説明を簡略化するため、光入力用ナノ光ファイバー３のナノ光導波路部のみを示す。そして、この光入力用ナノ光ファイバー３のナノ光導波路部を伝搬するプローブ光は、近接場光として伝搬し、該プローブ光の一部が光入力用ナノ光ファイバー３の周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で伝搬する。

また、光出力用ナノ光ファイバー４は、光入力用ナノ光ファイバー３と同様の構成を有する。それゆえ、ここでは、光出力用ナノ光ファイバー４の構成の説明は省略する。

なお、各ナノ光ファイバーの構成は、上記構成に限定されず、例えば、クラッドの周囲に、加工性に優れた例えばポリマー等の材料からなるコーティング層を形成してもよい。また、本実施形態では、延在方向に沿って外径が連続的に変化するナノ光ファイバーを用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されず、数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの外径を有し、該外径が延在方向に沿って均一であるナノ光ファイバーを用いてもよい。

［キャピラリーナノファイバーの作製手法］
次に、キャピラリーナノファイバー１の作製手法について説明する。

（１）ナノキャピラリーの作製手法
まず、従来、一般的に使用されているシリカ製のキャピラリー管を用意する。次いで、キャピラリー管の一部（ナノ流路部１１に対応する領域）を加熱延伸する。これにより、ナノキャピラリー２の２つの接続部１２及び２つのキャピラリー本体部１３が形成される。また、この加熱延伸処理により、２つの接続部１２間の加熱延伸された領域には、外径が数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズである管状部材領域が形成され、その内部には、微小な貫通孔２ａ（微小流路）が形成される。

次いで、加熱延伸された領域（ナノ流路部１１に対応する領域）の外周面に、上述した複数の微小凹部１５からなる共振器１４（ナノ構造体）を形成する。ここで、図３を参照しながら、共振器１４を形成手法について説明する。なお、図３は、本実施形態で用いた共振器１４の製造装置の概略構成及び共振器１４の形成時の様子を示す図である。

共振器１４の製造装置２００は、図３に示すように、光源部２１１と、集光レンズ部２１２と、回折分光部２１３と、第１光学系２１４と、第２光学系２１５と、０次光遮蔽板２１６（遮蔽板）とを備える。各部の構成及び機能、並びに、各部間の配置関係は、次の通りである。

光源部２１１は、レーザー光源２１１ａと、該レーザー光源２１１ａの位置調整のために設けられたマイクロメータ２１１ｂとを有する。レーザー光源２１１ａは、例えばフェムト秒パルスレーザーで構成される。なお、レーザー光源２１１ａの波長は、例えば、必要とする微小凹部１５のピッチ等の条件を考慮して適宜選択される。

集光レンズ部２１２は、集光レンズ２１２ａと、該集光レンズ２１２ａをその光入射面内（光出射面内）において回転可能に保持する回転マウント２１２ｂとを有する。集光レンズ２１２ａは、レーザー光源２１１ａの光射出側の位置に設けられ、レーザー光源２１１ａから射出されたパルスレーザー光を集光する。なお、本実施形態では、集光レンズ２１２ａとして、シリンドリカルレンズを用いる。そして、集光レンズ２１２ａでは、入射されたパルスレーザー光は、後述の位相マスク２１３ａの凹凸パターン（グレーティング）の周期方向と直交する方向の光幅が狭くなるように集光される。

回折分光部２１３は、位相マスク２１３ａと、該位相マスク２１３ａを保持する保持ブロック部２１３ｂとを有する。位相マスク２１３ａは、集光レンズ２１２ａの光出射側の位置に設けられ、集光レンズ２１２ａを介して入射された光Ｌ（パルスレーザー光）を回折して、光Ｌを、主に、０次の回折光Ｌ０、＋１次の回折光Ｌ１、及び、−１次の回折光Ｌ２に分光する。なお、位相マスク２１３ａの光出射面には、所定ピッチの凹凸パターン（グレーティング）が形成されており、この凹凸パターンにより、入射された光Ｌが回折され、０次の回折光Ｌ０、＋１次の回折光Ｌ１、及び、−１次の回折光Ｌ２に分光される。また、位相マスク２１３ａの凹凸パターン（グレーティング）のピッチｄは、ナノ流路部１１に形成する微小凹部１５のピッチ（ｄ／２：干渉縞Ｉのピッチ）に応じて適宜設定される。

第１光学系２１４は、第１反射ミラー２１４ａと、該第１反射ミラー２１４ａを保持する第１ミラー保持部材２１４ｂとを有する。また、第１光学系２１４は、第１ミラー保持部材２１４ｂに取り付けられた、第１反射ミラー２１４ａの位置及び角度を調整するためのマイクロメータ２１４ｃ及びピコモーター２１４ｄを有する。第１光学系２１４は、位相マスク２１３ａとナノキャピラリー２との間の領域に設けられ、且つ、位相マスク２１３ａから射出された＋１次の回折光Ｌ１の光路上に設けられる。

第２光学系２１５は、第２反射ミラー２１５ａと、該第２反射ミラー２１５ａを保持する第２ミラー保持部材２１５ｂとを有する。また、第２光学系２１５は、第２ミラー保持部材２１５ｂに取り付けられた、第２反射ミラー２１５ａの位置及び角度を調整するためのマイクロメータ２１５ｃ及びピコモーター２１５ｄを有する。第２光学系２１５は、位相マスク２１３ａとナノキャピラリー２との間の領域に設けられ、且つ、位相マスク２１３ａから射出された−１次の回折光Ｌ２の光路上に設けられる。

０次光遮蔽板２１６は、位相マスク２１３ａとナノキャピラリー２との間の領域に設けられ、且つ、位相マスク２１３ａから射出された０次の回折光Ｌ０の光路上に設けられる。これにより、０次の回折光Ｌ０がナノ流路部１１の所定領域に照射されることを防止する。

なお、本実施形態では、レーザー光源２１１ａから射出されたパルスレーザー光が、該装置内にセットされたナノキャピラリー２のナノ流路部１１の所定領域（本実施形態では中央領域）に焦点が合うように、製造装置２００の各部の光学パラメータ、配置位置等が適宜設定される。

上述した製造装置２００を用いて、ナノ流路部１１に複数の微小凹部１５からなる共振器１４を形成する手法の手順は次の通りである。

まず、ナノ流路部１１に対応する領域が加熱延伸されたキャピラリー管を製造装置２００にセットする。この際、図３に示すように、ナノキャピラリー２の延在方向が、位相マスク２１３ａの凹凸パターン（グレーティング）の周期方向と一致するように、ナノキャピラリー２を製造装置２００にセットする。また、この際、パルスレーザー光の焦点位置に、ナノ流路部１１の中央部が位置するように、ナノキャピラリー２を製造装置２００にセットする。次いで、ナノキャピラリー２の貫通孔２ａに例えば水等の透明液体を充填する。

そして、レーザー光源２１１ａから所定の波長、パルス幅及び照射エネルギーを有するパルスレーザー光を射出し、パルスレーザー光の＋１次の回折光Ｌ１及び−１次の回折光Ｌ２を、貫通孔２ａに透明液体が充填されたナノキャピラリー２のナノ流路部１１の所定領域に集光させる。その結果、両方の回折光が互いに重なり合い、ナノ流路部１１の所定領域には、ナノ流路部１１の延在方向に沿って干渉縞Ｉが発生する。

なお、この際、ナノ流路部１１に照射される集光ビームの直径（約３０μｍ程度）は、通常、ナノ流路部１１の外径に対して十分大きい。また、ナノ流路部１１の貫通孔２ａには、例えば水等の透明液体が充填されている。それゆえ、ナノ流路部１１は、入射光（干渉縞Ｉ）に対して円柱レンズとして作用する。その結果、ナノ流路部１１に入射された光（干渉縞Ｉ）は、ナノ流路部１１の裏面（ナノ流路部１１の光入射面とは反対側の面）にさらに強く集光される。

この場合、ナノ流路部１１の裏面のスポット領域（干渉縞Ｉ中の光の照射強度が高くなる領域）では、パルスレーザー光の強度が非常に高くなり、多光子吸収が発生する。そして、この多光子吸収作用により、ナノ流路部１１の裏面のスポット領域にはアブレーションが発生し、微小凹部１５が形成される（図２参照）。すなわち、本実施形態では、透明液体が内部に充填されたナノキャピラリー２のレンズ効果による多光子吸収作用を増強することにより、複数の微小凹部１５が、ナノ流路部１１の延在方向に沿って、干渉縞Ｉのピッチに対応する間隔（等間隔）でナノ流路部１１の裏面に同時に形成される。なお、形成される微小凹部１５の開口サイズ及び深さは、照射されるパルスレーザー光の強度により調整することができる。

本実施形態では、上述のようにして、ナノ流路部１１の延在方向に沿って等間隔で配列された複数の微小凹部１５からなる共振器１４を形成し、ナノキャピラリー２の作製が完了する。

（２）ナノ光ファイバーの作製手法
次に、光入力用ナノ光ファイバー３及び光出力用ナノ光ファイバー４の作製手法について説明する。なお、光出力用ナノ光ファイバー４の作製手法は、光入力用ナノ光ファイバー３のそれと同様であるので、ここでは、光入力用ナノ光ファイバー３の作製手法についてのみ説明する。

まず、従来の通信システムで用いられるコア及びクラッドを有する通信用光ファイバーを用意する。次いで、用意した通信用光ファイバーの一部を加熱延伸する。

これにより、図１に示すナノキャピラリー２の外形とほぼ同じ外形を有する光入力用ナノ光ファイバー３が形成される。具体的には、直径が、光入力用ナノ光ファイバー３を伝搬するプローブ光の波長程度以下のサイズ（コアの直径が、数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズ）であるナノ光導波路部と、その両端にそれぞれ設けられたテーパー形状の接続部と、各接続部のナノ光導波路部側とは反対側の端部に設けられたファイバー本体部とを備えた光入力用ナノ光ファイバー３が作製される。

（３）マイクロファイバーカプラ構造の作製手法
上述のようにして、ナノキャピラリー２、並びに、光入力用ナノ光ファイバー３及び光出力用ナノ光ファイバー４を作製した後、例えば加熱融着等の手法を用いて、光入力用ナノ光ファイバー３のナノ光導波路部の一部をナノキャピラリー２の一方（水溶液の流入側）の接続部１２の一部の表面に接続する。また、同様にして、光出力用ナノ光ファイバー４のナノ光導波路部の一部をナノキャピラリー２の他方（水溶液の流出側）の接続部１２の一部の表面に接続する。これにより、ナノキャピラリー２と、各ナノ光ファイバーとの接続領域には、マイクロファイバーカプラが作製される。

本実施形態では、上述のようにして、キャピラリーナノファイバー１が作製される。なお、本実施形態では、各ナノ光ファイバーは、ナノキャピラリー２の接続部１２内の領域において、伝搬光（プローブ光）の一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出しているような位置に接続されることが好ましい。また、本実施形態では、ナノキャピラリー２と各ナノ光ファイバーとの間のプローブ光（近接場光）の結合性能をより高くするため、各ナノ光ファイバーを、ナノ流路部１１により近い位置に接続することが好ましい。

［キャピラリーナノファイバーの動作及び極微量物質の検出原理］
次に、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１の動作及び極微量物質の検出原理について説明する。

まず、ナノキャピラリー２の貫通孔２ａに所定の水溶液（例えば、水、導電性液体等）を流す。この際、本実施形態では、光入力用ナノ光ファイバー３側の貫通孔２ａの開口部から光出力用ナノ光ファイバー４側の貫通孔２ａの開口部に向かって水溶液（サンプル）を流通させる。なお、水溶液の流動手法としては、ポンプにより水溶液を流動させる手法を用いてもよいし、電気泳動により水溶液を流動させる手法を用いてもよい。

次いで、ナノキャピラリー２内部に水溶液（サンプル）が流通した状態で、光入力用ナノ光ファイバー３にプローブ光を伝搬させる。そして、プローブ光が光入力用ナノ光ファイバー３とナノキャピラリー２（接続部１２）との接続領域に到達すると、その接続領域に形成されたマイクロファイバーカプラの作用により、プローブ光の一部が分岐して、ナノキャピラリー２の内部に入射される。

ナノキャピラリー２の内部に入射されたプローブ光の一部は、その後、光入力用ナノ光ファイバー３が接続された接続部１２から、ナノ流路部１１を介して、光出力用ナノ光ファイバー４が接続された接続部１２に向かって伝搬する。そして、ナノ流路部１１を通過した光が、光出力用ナノ光ファイバー４とナノキャピラリー２（接続部１２）との接続領域に到達すると、その接続領域に形成されたマイクロファイバーカプラの作用により、ナノ流路部１１を通過した光の一部が分岐して、光出力用ナノ光ファイバー４の内部に入射される。その後、この光出力用ナノ光ファイバー４の内部に入射された光を、フォトダイオードで検出する。

このようなナノキャピラリー２内部のプローブ光の伝搬過程において、プローブ光（近接場光）は、ナノ流路部１１に形成された共振器１４により共振作用の影響を受ける。具体的には、共振器１４の共振条件を満たす光成分（以下、共振モード成分という）、すなわち、プローブ光の波長成分が増幅される。この結果、ナノキャピラリー２から光出力用ナノ光ファイバー４に射出される光のスペクトル分布では、共振器１４で発生する共振モード成分の波長（共鳴波長）において、ピークが発生する。

ここで、図４に、ナノキャピラリー２から光出力用ナノ光ファイバー４に射出される光のスペクトル分布の一例を示す。図４に示すスペクトル分布図の横軸は波長であり、縦軸は透過率Ｔである。

なお、図４に示すスペクトル分布が得られたナノキャピラリー２の具体的な構成は、次の通りである。ナノキャピラリー２の形成材料は、屈折率が１．４５のシリカとした。ナノキャピラリー２のナノ流路部１１の外径は６００ｎｍであり、内径は２５０ｎｍであった。なお、このようなサイズを有するナノ流路部１１を備えたナノキャピラリー２は、例えば、外径が１２０μｍであり且つ内径が５０μｍである、従来、一般的に使用されているシリカ製キャピラリー管の一部を加熱延伸することにより作製することができる。また、共振器１４は、開口サイズが約２００ｎｍであり且つ深さが約１２０ｎｍである微小凹部１５を複数、等間隔で配置して構成した（共振器長は約１ｍｍ程度）。さらに、ナノ流路部１１の貫通孔２ａ内には、屈折率ｎ_ｃが約１．３３の水溶液を流動させた。

図４に示す例では、共鳴波長は、約８０２．４１ｎｍであり、この共鳴波長において非常に急峻なピークが発生していることが分かる。また、図４に示す例では、共鳴波長におけるピークスペクトルの半値全幅ＦＷＨＭは約０．５ｐｍとなり、Ｑ値は約１．５×１０^６となった。すなわち、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１では、非常に大きなＱ値が得られることが分かる。なお、本明細書では、共鳴波長をλ_ｒｅｓとし、半値全幅ＦＷＨＭをΔλ_ｒｅｓとした場合、該共鳴波長のＱ値は、λ_ｒｅｓ／Δλ_ｒｅｓで定義される。

そして、ナノキャピラリー２内の水溶液に該水溶液と異なる極微量物質（単一分子レベルの極微量分子）が含まれる場合には、水溶液の屈折率が変化するので、光出力用ナノ光ファイバー４の出力側で測定されたスペクトル分布において共鳴波長がシフトする。本実施形態では、この共鳴波長の変化に基づいて、水溶液（サンプル）中に極微量物質が含まれるか否かを判定する。

この際、共鳴波長の変化（例えばシフト方向及びシフト量）を、従来の光共鳴計測法と同様に、波長を掃引して計測し、その計測結果に基づいて水溶液中の極微量物質の有無を判定することもできるが、本実施形態では、屈折率計測のダイナミックレンジを拡大させるために別の手法を用いる。具体的には、水溶液（サンプル）の屈折率変化により発生する共鳴波長の変化を補償するため（零にするため）に必要な共振器１４の実効共振器長の調整量（伸縮量及び伸縮方向）を求め、その実効共振器長の調整量に基づいて、水溶液中に極微量物質が含まれるか否かを判定する。

［極微量物質の検出システム］
（１）検出システムの構成
次に、図５を参照しながら、上述した極微量物質の検出動作を実現するための検出システムの一構成例について説明する。なお、図５は、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１を備える極微量物質の検出システムの概略ブロック構成図である。

検出システム２０は、キャピラリーナノファイバー１と、キャピラリー保持装置２１と、直流電源回路２２と、電圧表示装置２３と、レーザー光源２４（光源）と、光学系２５と、フォトダイオード２６（光検出部）と、高周波変調器２７と、ロックイン回路２８（制御部）とを備える。

なお、図５には示さないが、本実施形態の検出システム２０の外部には、キャピラリーナノファイバー１の内部に水溶液（サンプル）を流動させるための流動装置が設けられる。具体的には、水溶液の流動手法としてポンプを用いる場合には、ポンプが流動装置として設けられる。また、水溶液の流動手法として電気泳動法を用いる場合には、キャピラリーナノファイバー１内部の水溶液に対して、キャピラリーナノファイバー１の延在方向に沿って電界を印加するための高圧電源装置（電界印加装置）が流動装置として設けられる。なお、これらの流動装置が検出システム２０に含まれていてもよい。

キャピラリー保持装置２１は、第１保持部２１ａと、第２保持部２１ｂと、アクチュエータ２１ｃ（共振器長調整部）とを有する。

第１保持部２１ａは、ナノキャピラリー２の一方（水溶液の流入側）のキャピラリー本体部１３を固定して保持する。一方、第２保持部２１ｂは、ナノキャピラリー２の他方（透明液体の流出側）のキャピラリー本体部１３を固定して保持する。

アクチュエータ２１ｃは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）アクチュエータで構成される。具体的には、アクチュエータ２１ｃは、現在、一般的に用いられているＰＺＴアクチュエータ、例えば、最大印加電圧１５０Ｖで長さが２０μｍ増大するようなＰＺＴアクチュエータで構成することができる。

アクチュエータ２１ｃは、直流電源回路２２から供給される駆動電圧に基づいて伸縮し、第１保持部２１ａ及び第２保持部２１ｂ間の距離、すなわち、ナノキャピラリー２（共振器１４）の実効共振器長を微調整する。また、アクチュエータ２１ｃは、第１保持部２１ａ及び第２保持部２１ｂ間の距離を微調整可能となるように、キャピラリー保持装置２１内部に適宜取り付けられる。

なお、本実施形態では、アクチュエータ２１ｃとして、ＰＺＴアクチュエータを用いる例を説明したが、本発明はこれに限定されない。ＰＺＴアクチュエータと同様の精度で且つ同様のダイナミックレンジで共振器１４の実効共振器長を調整することができるアクチュエータであれば任意のアクチュエータをアクチュエータ２１ｃとして用いることができる。

直流電源回路２２は、アクチュエータ２１ｃに電気的に接続され、アクチュエータ２１ｃに直流電圧を供給して、アクチュエータ２１ｃを駆動制御する。この際、直流電源回路２２は、ロックイン回路２８から入力されるフィードバック信号（後述の補償信号）に基づいて、共振器１４の共鳴波長が一定となるように、所定の直流電圧をアクチュエータ２１ｃに供給する。すなわち、本実施形態の検出システム２０では、ロックイン回路２８から入力されるフィードバック信号に基づいて、アクチュエータ２１ｃをフィードバック制御して（共振器１４の実効共振器長を調整して）、ナノキャピラリー２の共振器１４の共鳴波長の変化を補償する。

なお、共振器１４の実効共振器長のフィードバック制御では、直流電源回路２２は、予め所定のバイアス電圧をアクチュエータ２１ｃに供給した状態から、フィードバック信号に基づいてアクチュエータ２１ｃに供給する直流電圧を増減させる。この際、アクチュエータ２１ｃに予め印加される所定のバイアス電圧の値は、例えば、検出すべき極微量物質の種別、必要とする検出精度等を考慮して適宜設定される。

例えば、最大電圧１５０Ｖで駆動可能なアクチュエータ２１ｃを備える検出システム２０において、水溶液の屈折率が変化した際（極微量物質が検出された際）に、アクチュエータ２１ｃの駆動電圧を下げる制御が主流となる場合には、アクチュエータ２１ｃのバイアス電圧は例えば約１３０Ｖ程度の高めの電圧に設定してもよい。また、最大電圧１５０Ｖで駆動可能なアクチュエータ２１ｃを備えた検出システム２０において、アクチュエータ２１ｃのバイアス電圧を、単純に、最大電圧１５０Ｖの中間電圧（例えば約７０〜８０Ｖ程度）に設定してもよい。

また、直流電源回路２２は、電圧表示装置２３に電気的に接続され、アクチュエータ２１ｃに出力する直流電圧値を示すモニター信号を電圧表示装置２３に出力する。そして、本実施形態では、電圧表示装置２３に表示される直流電圧値が所定方向（プラス方向又はマイナス方向）に所定値以上、変化した場合に、水溶液中に極微量物質が存在すると判定する。なお、この際の判定の閾値となるアクチュエータ２１ｃの駆動電圧の変化量は、例えば、極微量物質の種別や、計測環境に起因して発生する駆動電圧の変化量などを考慮して適宜設定される。

電圧表示装置２３は、直流電源回路２２から入力されたモニター信号に基づいて、アクチュエータ２１ｃに出力されている駆動電圧の値を所定の態様で表示する。なお、図５に示す例では、電圧表示装置２３において、駆動電圧の値をアナログ表示する例を示すが、本発明はこれに限定されず、電圧表示装置２３において、駆動電圧の値をデジタル表示してもよい。

また、本実施形態では、電圧表示装置２３は、直流電源回路２２から入力されたモニター信号に基づいて、水溶液（サンプル）中に極微量物質が含まれるか否かを判別する極微量物質の検出機能を備えていてもよい。また、電圧表示装置２３は、駆動電圧の時間変化データを記憶する機能を備えていてもよいし、該駆動電圧の時間変化データを画像表示する及び／又は印刷する出力機能を備えていてもよい。

さらに、電圧表示装置２３は、駆動電圧の変化量が所定値以上になり、極微量物質の存在が認められた場合に、その旨の情報を、文字で表示する機能、音声で知らせる機能、光の点消滅で知らせる機能等の各種報知機能を備えていてもよい。また、本実施形態では、これらの極微量物質の判別結果の表示機能、記憶機能及び報知機能が、それぞれ、電圧表示装置２３とは別個の装置として設けられていてもよい。

レーザー光源２４は、例えば波長固定（安定化）レーザーで構成される。なお、レーザー光源２４としては、出力波長の安定性に優れたレーザーを用いることが好ましく、例えばセシウム原子の共鳴を利用したレーザー（出力波長＝８５２ｎｍ）を用いることが好ましい。

レーザー光源２４は、高周波変調器２７から入力される変調信号に基づいて周波数変調された所定波長（所定周波数ν_０）のプローブ光Ｌｐを射出する。この際、キャピラリーナノファイバー１内に極微量物質が存在しない場合における共振器１４の共鳴波長と略同じ波長のプローブ光Ｌｐがレーザー光源２４から射出される。

光学系２５は、レーザー光源２４から射出されたプローブ光Ｌｐを、キャピラリーナノファイバー１の光入力用ナノ光ファイバー３に導くための光学系であり、各種光学素子で構成される。なお、図５には、説明を簡略化するため、光学系２５を一枚の反射ミラーで構成する例を示すが、本発明はこれに限定されず、レーザー光源２４及び光入力用ナノ光ファイバー３の配置関係等に応じて、光学系２５の構成は適宜変更される。

フォトダイオード２６は、キャピラリーナノファイバー１の光出力用ナノ光ファイバー４から射出された光（出射光Ｌｏ）を検出する。

高周波変調器２７は、レーザー光源２４に電気的に接続され、所定の変調信号をレーザー光源２４に出力する。また、高周波変調器２７は、ロックイン回路２８に電気的に接続され、レーザー光源２４に出力した変調信号に対応する参照信号をロックイン回路２８に供給する。

ロックイン回路２８は、フォトダイオード２６から入力された出射光Ｌｏの検出信号、及び、高周波変調器２７から入力された参照信号に基づいて、ナノキャピラリー２の共振器１４の共鳴波長が一定となるようにするための制御信号（補償信号）を生成するための回路である。

具体的には、ロックイン回路２８は、フォトダイオード２６に電気的に接続され、まず、フォトダイオード２６に入力された出射光Ｌｏの検出信号を取得する。また、ロックイン回路２８は、高周波変調器２７に電気的に接続され、高周波変調器２７で生成された参照信号を取得する。次いで、ロックイン回路２８は、出射光Ｌｏの検出信号に含まれる変調信号成分を、参照信号を用いて抽出する（復調する）。

次いで、ロックイン回路２８は、参照信号と復調された変調信号成分とを比較し、両者間の位相差等に基づいて、入力光（プローブ光）に対する出力光の共鳴波長（共振周波数）の変化、すなわち、ナノキャピラリー２の共振器１４における共鳴波長のシフト方向及びシフト量を算出する。次いで、ロックイン回路２８は、共鳴波長の変化の算出結果に基づいて、共振器１４の共鳴波長を所定波長に固定する（共鳴波長の変化を零にする）ために必要な共振器１４の実効共振器長の調整量に対応する制御信号（補償信号）を生成する。そして、ロックイン回路２８は、生成した補償信号をフィードバック信号として直流電源回路２２に出力する。

（２）検出処理
次に、図６を参照しながら、本実施形態の検出システム２０による極微量物質の検出処理を説明する。なお、図６は、検出システム２０による極微量物質の検出処理の手順を示すフローチャートである。

まず、ポンプ又は電気泳動により、水溶液（サンプル）をナノキャピラリー２内に流動させる（ステップＳ１）。この際、光入力用ナノ光ファイバー３の接続側のキャピラリー本体部１３の貫通孔２ａの開口から水溶液を流入し、光出力用ナノ光ファイバー４の接続側のキャピラリー本体部１３の貫通孔２ａの開口から水溶液を流出させる。

次いで、レーザー光源２４は、所定周波数ν_０のプローブ光Ｌｐを、光学系２５、光入力用ナノ光ファイバー３及びナノキャピラリー２の接続部１２を介して、ナノキャピラリー２のナノ流路部１１に入射する（ステップＳ２）。

次いで、光出力用ナノ光ファイバー４は、ナノ流路部１１（共振器１４）を伝搬する光の一部を、マイクロファイバーカプラ作用により取り込む（ステップＳ３）。次いで、フォトダイオード２６は、光出力用ナノ光ファイバー４から射出された光（出射光Ｌｏ）を検出する（ステップＳ４）。

次いで、ロックイン回路２８は、フォトダイオード２６で検出された出射光Ｌｏの検出信号と、高周波変調器２７から入力された参照信号とに基づいて、共振器１４の共鳴波長の変化（検出信号と参照信号との位相差）を検出する（ステップＳ５）。すなわち、ステップＳ５では、ロックイン回路２８は、共振器１４の共鳴波長のシフト方向及びシフト量を検出する。

次いで、ロックイン回路２８は、検出した共振器１４の共鳴波長の変化に基づいて、共振器１４の共鳴波長の変化を補償するための補償信号をフィードバック信号として直流電源回路２２に出力する（ステップＳ６）。より詳細には、ロックイン回路２８は、検出した共振器１４の共鳴波長の変化を零にするために必要な共振器１４の実効共振器長の調整量（伸縮量及び伸縮方向）に対応する補償信号を直流電源回路２２に出力する。

次いで、直流電源回路２２は、ロックイン回路２８からフィードバックされた共鳴波長の補償信号（実効共振器長の制御信号）に基づいて、アクチュエータ２１ｃに供給する駆動電圧を変化させ、キャピラリーナノファイバー１の共振器１４の共鳴波長が所定波長に固定されるように、共振器１４の実効共振器長を調整する（ステップＳ７）。

次いで、電圧表示装置２３は、直流電源回路２２からアクチュエータ２１ｃの駆動電圧の情報（実効共振器長の調整量に関する情報）を取得するとともに駆動電圧を表示する。そして、例えば検査員等は、電圧表示装置２３に表示される駆動電圧の変化態様（変化方向及び変化量）に基づいて、水溶液（サンプル）中の極微量物質の有無を判別する（ステップＳ８）。なお、電圧表示装置２３が、水溶液（サンプル）中に極微量物質が含まれるか否かを判別する極微量物質の検出機能を備える場合には、ステップＳ８の判別処理は、電圧表示装置２３により行われる。

本実施形態の検出システム２０では、上述のように、ロックイン回路２８からフィードバックされた補償信号に基づいて、キャピラリーナノファイバー１の共振器１４の共鳴波長の変化が零になるように（共鳴波長が所定波長に固定されるように）、アクチュエータ２１ｃを駆動して共振器１４の実効共振器長をフィードバック制御する。

この制御手法では、水溶液（サンプル）中に極微量物質が存在しない場合には、共鳴波長の変化量は小さい（ほぼゼロ）ので、共振器１４の実効共振器長の調整量は小さくなり、アクチュエータ２１ｃの駆動電圧の変化量も小さくなる。しかしながら、水溶液中に極微量物質が存在すると、ナノキャピラリー２内部の屈折率が変化して共鳴波長の変化量が大きくなるので、共振器１４の実効共振器長の調整量も大きくなり、アクチュエータ２１ｃの駆動電圧の変化量も大きくなる。それゆえ、本実施形態の検出システム２０では、上記ステップＳ８において、電圧表示装置２３を用いてアクチュエータ２１ｃの駆動電圧の変化量を計測（観測）することにより、水溶液中に極微量物質が存在するか否かを判別することができる。

なお、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１を備える検出システム２０において、ナノキャピラリー２内の水溶液（サンプル）の流動を、電気泳動を利用して行う場合には、水溶液中に複数種の極微量物質が存在しても各極微量物質を分離して計測することができる。具体的には、電気泳動により極微量物質を流動させる場合、通常、極微量物質の種別により、ナノキャピラリー２内での極微量物質の移動速度が異なるので、時間軸上における各極微量物質の検出タイミングが互いに異なる。それゆえ、本実施形態の検出システム２０では、水溶液中に複数種の極微量物質が存在しても、各極微量物質を、時間軸上における検出時間の差により分離して検出することができる。

［検出性能の評価］
次に、本実施形態の検出システム２０において得られる極微量物質の検出性能について説明する。なお、ここでは、検出性能として、極微量物質の検出感度に対応する屈折率変化の計測限界、及び、極微量物質の検出ダイナミックレンジに対応する屈折率変化の検出ダイナミックレンジについて検証を行う。

（１）屈折率変化の計測限界
まず、本実施形態の検出システム２０における、水溶液（サンプル）の屈折率ｎ_ｃの変化量の計測限界について説明する。

ナノキャピラリー２内に水溶液（サンプル）が流動している際のナノキャピラリー２の実効的屈折率を「ｎ_ｅｆｆ」とし、共振器１４の共振器長を「ｌ」とし、共振器１４の共鳴波長を「λ_ｒｅｓ」とすると、共振器１４における共振条件は、下記式（１）で表される。なお、下記式（１）中の「Ａ」は共振器１４の構成により決まる定数である。

また、ナノキャピラリー２の実効的屈折率ｎ_ｅｆｆと、ナノ流路部１１内の水溶液の屈折率ｎ_ｃとの関係は、下記式（２）で表される。なお、下記式（２）中の「α」及び「ａ」は、定数である。

共振器１４の共振器長ｌが一定の条件では、上記式（１）及び（２）から、下記式（３）が導出される。

上記式（３）から明らかなように、水溶液の屈折率ｎ_ｃの微小変化Δｎ_ｃの検出限界値Δｎ_ｃｄは、共振器１４の共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλの測定限界値Δλ_ｄで決定される。この共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλの測定限界値Δλ_ｄは、共振器１４の共振の鋭さ、すなわち、Ｑ値で決まる。具体的には、Ｑ値が高いほど測定限界値Δλ_ｄが小さくなる。

そこで、いま、共振器１４の共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλの計測限界を半値全幅ＦＷＨＭの１０％とすると、共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλの測定限界値Δλ_ｄと、Ｑ値との関係は、上記式（３）から、下記式（４）で表される。また、上記式（３）から、屈折率ｎ_ｃの微小変化Δｎ_ｃの検出限界値Δｎ_ｃｄと、Ｑ値との関係は、下記式（５）で表される。なお、下記式（４）及び（５）中の「β」の値は約０．１であり、半値全幅ＦＷＨＭの１０％を示す定数である。また、下記式（５）中の「ＲＩＵ」は屈折率単位である。

ここで、上記式（５）において、実効的屈折率ｎ_ｅｆｆ及び定数αに、数値実験で見積もられた１．２及び０．２５をそれぞれ代入し、Ｑ値に、図４で示した実験値１．５×１０^６を代入すると、屈折率ｎ_ｃの微小変化Δｎ_ｃの検出限界値Δｎ_ｃｄは、約３．２×１０^−７［ＲＩＵ］となる。この屈折率の検出限界値Δｎ_ｃｄは、非常に小さな値であり、現在、開発されている種々の計測技術の中でもトップクラスの値である。すなわち、本実施形態の検出システム２０では、現在、開発されている種々の計測技術の中でもトップクラスの極微量物質の検出感度が得られる。

（２）屈折率変化の検出ダイナミックレンジ
次に、本実施形態の検出システム２０における、水溶液（サンプル）の屈折率ｎ_ｃの変化量の検出ダイナミックレンジについて説明する。

いま、最大印加電圧１５０Ｖで長さが２０μｍ増大するアクチュエータ（ＰＺＴ）を、アクチュエータ２１ｃとして用いる場合を考える。なお、このようなアクチュエータ（ＰＺＴ）の特性は、従来、市販されている典型的なアクチュエータにより得られる特性である。また、本発明者の検証実験によれば、本実施形態のナノキャピラリー２は、２０μｍ程度の長さ変化に対して、十分に可逆な弾性変形特性を有することが確認されている。

上記特性を有するアクチュエータ２１ｃを用いて、共振器１４の共振器長ｌを電気的に制御した場合、共振器長ｌの調整量Δｌは、下記式（６）で表される。なお、下記式（６）中の「ｋ_ＰＺＴ」の値は約０．１３３［μｍ／Ｖ］（＝２０μｍ／１５０Ｖ）である。

通常、アクチュエータ２１ｃのフィードバック制御では、１ｍＶ程度の電圧変化を計測することができるので、上記式（６）から、上記特性を有するアクチュエータ２１ｃでは、少なくとも調整量Δｌ＝０．１３３ｎｍ程度の単位で共振器１４の共振器長ｌを精密制御することができる。

また、共振器１４の共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλと、共振器長ｌの調整量Δｌとの関係は、上記式（１）から、下記式（７）で表される。なお、下記式（７）中の「Ａ′」の値は約１００００であり、この値は、典型的な構成の共振器１４において実験的に見積もられた値である。

上記式（７）において、共振器長ｌの調整量Δｌを０．１３３ｎｍとすると、フィードバック制御で調整可能な共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλは、０．０１３３ｐｍとなり、この値が共鳴波長λ_ｒｅｓの最小調整量となる。この共鳴波長λ_ｒｅｓの最小調整量は、図４に示す共振スペクトルの半値全幅ＦＷＨＭの１０％の値（０．０５ｐｍ）より十分小さい値であり、フィードバック制御が十分可能な値である。

また、通常、上述した特性を有するアクチュエータ（ＰＺＴ）では、１００Ｖ程度のアクチュエータへの帰還電圧変化（供給電圧が約５０〜１５０Ｖの範囲）は、容易に計測することができる。それゆえ、上記式（６）及び（７）から、本実施形態では、約１．３３ｎｍ程度までの共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλに対して、アクチュエータのフィードバック制御をダイナミックに追随させることができる。

この共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλの追随可能な範囲（ダイナミックレンジ）は、１０^−７〜１０^−２［ＲＩＵ］の屈折率変化の範囲に対応する。すなわち、本実施形態の検出システム２０における、水溶液（サンプル）の屈折率変化の検出ダイナミックレンジは、１０^−７〜１０^−２［ＲＩＵ］となる。このダイナミックレンジは、後述するように、従来の光共鳴法による計測技術と比較して、非常に大きな範囲となる。それゆえ、本実施形態の検出システム２０では、従来の光共鳴法による計測技術に比べて非常に大きな極微量物質の検出ダイナミックレンジを得ることができる。

［各種効果］
上述した本実施形態のキャピラリーナノファイバー１及びそれを備える検出システム２０では、極微量物質の検出時に、ナノキャピラリー２の共振器１４の形成領域、すなわち、極微小領域に水溶液（サンプル）及びプローブ光Ｌｐが局在した状態となる。具体的には、例えば、図４のスペクトル分布が得られるキャピラリーナノファイバー１の構成では、上述のように、ナノ流路部１１の内径が２５０ｎｍであり、共振器長が１ｍｍ程度であるので、フェムトリットルオーダーの極微小領域に水溶液（サンプル）及びプローブ光Ｌｐが局在した状態となる。

それゆえ、本実施形態では、検査に必要なサンプルの計測量は、フェムトリットルオーダーの極微小量で足りることになる。すなわち、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１及びそれを備える検出システム２０では、極微小量のサンプルで極微量物質の有無を検出することができる。

また、本実施形態では、キャピラリーナノファイバー１の共振器１４において１０^６以上のＱ値が得られ、水溶液（サンプル）の屈折率変化を超高感度（１０^−７［ＲＩＵ］）で検出することができる。それゆえ、本実施形態では、単一のキャピラリーナノファイバー１により、極微量物質（単一分子レベルの極微量分子）をより高感度で検出することができる。

また、本実施形態では、上述のように、水溶液（サンプル）の屈折率変化の検出ダイナミックレンジは、１０^−７〜１０^−２［ＲＩＵ］となり、非常に広いダイナミックレンジを確保することができる。

また、本実施形態では、キャピラリーナノファイバー１のナノ流路部１１を、従来のシリカ製キャピラリー管の一部を加熱延伸して作製することができるので、高光透過率を有するナノ流路部１１を備えたキャピラリーナノファイバー１を再現性良く作製することができる。

また、本実施形態では、ナノキャピラリー２は、従来のシリカ製キャピラリー管の一部を加熱延伸して構成され、且つ、各ナノ光ファイバーはナノキャピラリー２に加熱融着等の手法により接続される。それゆえ、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１の構成は、より簡易な構成となる。

また、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１を備える検出システム２０は、コンパクトに構成することができ、その操作等も簡便である。それゆえ、本実施形態では、検出システム２０を、例えば、従来のバイオ／ケミカル検出システムに容易に組み込むことができ、その場計測を実現することができる。また、本実施形態のキャピラリーナノファイバー１を備える検出システム２０は、水溶液（サンプル）中に複数種の極微量物質が存在しても各極微量物質を分離して計測することが可能である。それゆえ、本実施形態の検出システム２０は、液体クロマトグラフィにおいて、試料を分離するためのカラムから溶出した成分を高感度で分析するための検出装置としても用いることができる。

さらに、ここで、本実施形態における極微量物質の検出技術と、上述した従来のラベリングフリー法による極微量物質の各種検出技術とを比較して、本実施形態の検出性能の優位性をより具体的に説明する。

マイクロ／ナノ流路法の典型例としては、例えばナノメンブレン法、ナノ多孔質シリコンセンサーを用いる手法等が挙げられるが、これらの手法は検出システムへの組み込みが難しく、インライン計測の観点で問題がある。それに対して、本実施形態の検出技術では、図５に示す検出システム２０の説明から明らかなように、インライン計測で極微量物質を検出することができる。

また、光共鳴計測法では、インライン計測が可能であるが、この検出技術に対しては、検出感度の向上、計測サンプルの微量化等が求められている。これに対して、本実施形態では、上述のように、１０^−７［ＲＩＵ］オーダーの超高感度で屈折率変化を検出することができ、必要とするサンプル量もフェムトリットルオーダーの極微小量となる。さらに、光共鳴計測法では、通常、水溶液の屈折率変化に伴う共鳴ピークシフトをレーザー光（プローブ光）の波長を掃引して計測するが、この手法では、屈折率測定のダイナミックレンジは、レーザー光の波長の掃引ダイナミックレンジで決まり、通常、約５０ｐｍ以下である。それに対して、本実施形態の検出技術では、上述のように、約１．３３ｎｍ程度までの共鳴波長λ_ｒｅｓの変化量Δλに対してダイナミックに追随することができる。すなわち、本実施形態の検出技術では、光共鳴計測法の数十倍のダイナミックレンジを確保することができる。

以上のことから、本実施形態の極微量物質の検出技術は、従来のラベリングフリー法による各種検出技術に比べて、感度、サンプル量、ダイナミックレンジ、インライン計測等の観点で総合的に非常に優れた技術であることが分かる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、ラベリング法により水溶液（サンプル）中の極微量物質（単一分子レベルの極微量分子等）を検出するためのキャピラリーナノファイバー及びそれを備える検出システムについて説明する。

［キャピラリーナノファイバーの構成］
まず、本発明の第２の実施形態に係るキャピラリーナノファイバーの構成を、図７を参照しながら説明する。なお、図７は、第２の実施形態のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。

キャピラリーナノファイバー３１は、図７に示すように、ナノキャピラリー３２と、光出力用ナノ光ファイバー３４（第１ナノ光ファイバー）とを備える。

本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１では、光出力用ナノ光ファイバー３４の一部が、ナノキャピラリー３２の液体流出側の接続部４２の外周面に接続される。この際、光出力用ナノ光ファイバー３４は、上記第１の実施形態と同様に、例えば加熱融着等の手法により対応する接続部４２に接続される。これにより、ナノキャピラリー３２と光出力用ナノ光ファイバー３４との接続領域には、マイクロファイバーカプラが構成される。なお、本実施形態の光出力用ナノ光ファイバー３４の構成は、上記第１の実施形態の光出力用ナノ光ファイバー４と同様の構成であるので、ここでは、光出力用ナノ光ファイバー３４の構成の説明を省略する。

［ナノキャピラリーの構成］
次に、本実施形態のナノキャピラリー３２の構成を、図７及び図８を参照しながら説明する。なお、図８は、本実施形態のナノキャピラリー３２に設けられた反射器の一構成例を示す図である。

ナノキャピラリー３２は、図７に示すように、ナノ流路部４１（第１管部）と、ナノ流路部４１の各端部に接続された接続部４２（第４，第５管部）と、各接続部４２のナノ流路部４１側とは反対側の端部に設けられたキャピラリー本体部４３（第２，第３管部）とを備える。

ナノキャピラリー３２は、上記第１の実施形態と同様に、例えばシリカ等の光透過性材料で形成された円筒状部材であり、その内部には、ナノキャピラリー３２の延在方向に沿って貫通孔３２ａが設けられる。極微量物質の計測時には、ナノキャピラリー３２の貫通孔３２ａに検査対象となるサンプルの水溶液（光透過性液体）が流動される。それゆえ、ナノキャピラリー３２の貫通孔３２ａは検査対象となるサンプル（水溶液）の流路になる。

本実施形態の接続部４２及びキャピラリー本体部４３、並びに、各部における貫通孔３２ａのサイズ等の構成は、上記第１の実施形態の対応する構成と同様であるので、ここでは、これらの構成の説明を省略する。

ナノ流路部４１は、上記第１の実施形態と同様に、その外径がナノ流路部４１を伝搬する光（後述の蛍光）の波長程度以下に設定された円筒状部材である。具体的には、ナノ流路部４１の外径は、サブミクロンオーダー（数百ナノオーダー）のサイズに設定される。なお、ナノ流路部４１の外径は、例えばナノ流路部４１を伝搬する光の強度分布（光の閉じ込め量）などの特性を考慮して適宜設定され、好ましくは、伝搬光の波長の１／２程度、より好ましくは、伝搬光の波長の２／３程度のサイズに設定される。

また、本実施形態では、後述するように、貫通孔３２ａに水溶液を流動させた状態で、外部から励起光をナノ流路部４１に照射し、ラベリングされた極微量物質から蛍光を発生させる。この際、ナノ流路部４１内の貫通孔３２ａに水溶液が充填された状態では、ナノ流路部４１はその蛍光の光導波路（ナノ光ファイバー）として作用し、蛍光がナノ流路部４１を伝搬する。

すなわち、本実施形態では、極微量物質の計測時には、ナノ流路部４１内の貫通孔３２ａは、水溶液（サンプル）のナノサイズの微小流路として作用するだけでなく、蛍光の光導波路としても作用する。なお、ナノ流路部４１の外径は、上述のように、伝搬光の波長程度以下のサイズであるので、本実施形態においても、ナノ流路部４１では、蛍光は、近接場光として伝搬し、該蛍光の一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で伝搬する。

さらに、本実施形態では、ナノ流路部４１の液体流入側の端部付近の領域の外周面に反射器４４が設けられる。具体的には、図８に示すように、ナノ流路部４１の外周面に、ナノ流路部４１の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部４５（凹凸パターン）により構成された反射器４４が設けられる。

各微小凹部４５は、お椀状の凹部であり、その開口形状は円形である。また、各微小凹部４５の深さは、各微小凹部４５の底部がナノ流路部４１の貫通孔３２ａに達しないような深さに設定される。また、各微小凹部４５の開口サイズ及び微小凹部４５のピッチは、略均一である。なお、各微小凹部４５の開口サイズ及び微小凹部４５のピッチは、ナノ流路部４１を伝搬する光（蛍光）の波長に応じて適宜設定される。具体的には、微小凹部４５のピッチは、伝搬光（蛍光）に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。なお、本実施形態では、各微小凹部４５は、上記第１の実施形態の微小凹部１５と同様にして形成されるので、各微小凹部４５の開口サイズ及び微小凹部４５のピッチは、サブミクロンオーダーのサイズで非常に精度良く均一に形成される。また、各微小凹部４５の深さも、サブミクロンオーダーのサイズとなる。

後述するように、本実施形態では、ナノ流路部４１の中央付近で蛍光を発生させ、その蛍光を検出して極微量物質の有無を判別するが、この際、蛍光の一部は、液体流入側に伝搬する。反射器４４は、この液体流入側に伝搬した蛍光成分を液体流出側に反射する。なお、本実施形態では、反射器４４を設けなくてもよいが、反射器４４を設けることにより、より高強度の蛍光を、光出力用ナノ光ファイバー３４を介して、検出することができる。

なお、ナノキャピラリー３２の構成は、図７及び図８に示す例に限定されず、例えば、外径が数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズであり、該外径が延在方向に沿って均一であるようなキャピラリー管を用いてもよい。

［キャピラリーナノファイバーの作製手法］
次に、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１の作製手法について説明する。

まず、上記第１の実施形態と同様に、従来、一般的に使用されているシリカ製のキャピラリー管を用意し、そのキャピラリー管の一部（ナノ流路部４１に対応する領域）を加熱延伸する。これにより、ナノキャピラリー３２の２つの接続部４２及び２つのキャピラリー本体部４３が形成される。また、この加熱延伸処理により、２つの接続部４２間の加熱延伸された領域には、外径が数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーの範囲のサイズである管状部材領域が形成され、その内部には、微小な貫通孔３２ａ（微小流路）が形成される。

次いで、加熱延伸されたキャピラリー管の一部（ナノ流路部４１に対応する領域）に、上述した複数の微小凹部４５からなる反射器４４（ナノ構造体）を形成する。この際、ナノ流路部４１の液体流入側の端部領域に、反射器４４が形成される。なお、複数の微小凹部４５からなる反射器４４は、上記第１の実施形態で説明した図３の製造装置２００を用いて形成され、その反射器４４の作製手法は、上記第１の実施形態の共振器１４の作製手法と同様である。

次いで、上記第１の実施形態と同様にして（加熱延伸の手法を用いて）、光出力用ナノ光ファイバー３４が形成される。

そして、光出力用ナノ光ファイバー３４のナノ光導波路部の一部を、例えば加熱融着等の手法を用いて、ナノキャピラリー３２の液体流出側（反射器４４が形成されていない側）の接続部４２の一部の表面に接続する。これにより、本実施形態では、ナノキャピラリー３２と、光出力用ナノ光ファイバー３４との接続領域には、マイクロファイバーカプラが作製される。

なお、この際、光出力用ナノ光ファイバー３４は、ナノキャピラリー３２の接続部４２内の領域において、伝搬光（蛍光）の一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出しているような位置に接続されることが好ましい。また、ナノキャピラリー３２と光出力用ナノ光ファイバー３４との間の伝搬光（蛍光）の結合性能をより高くするため、光出力用ナノ光ファイバー３４を、ナノ流路部４１により近い位置に接続することが好ましい。本実施形態では、上述のようにして、キャピラリーナノファイバー３１が作製される。

［キャピラリーナノファイバーの動作及び極微量物質の検出原理］
次に、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１の動作及び極微量物質の検出原理について説明する。

まず、本実施形態では、ナノキャピラリー３２内に流通させる極微量物質に対して、予め、例えば量子ドット、色素等により修飾処理（ラベリング処理）を施す。次いで、ナノキャピラリー３２の貫通孔３２ａに所定の水溶液（例えば、水、導電性液体等）を流す。この際、本実施形態では、ナノキャピラリー３２の反射器４４が形成されている側の貫通孔３２ａの開口部から光出力用ナノ光ファイバー３４側の貫通孔３２ａの開口部に向かって水溶液（サンプル）を流通させる。なお、水溶液の流通手法としては、ポンプにより水溶液を流通させる手法を用いてもよいし、電気泳動により水溶液を流通させる手法を用いてもよい。

次いで、ナノキャピラリー３２の貫通孔３２ａに水溶液（サンプル）が流通した状態で、ナノ流路部４１に外部から所定の励起光（例えば、紫外光等）を照射する。この際、ナノ流路部４１内に流通している水溶液中にラベリングされた極微量物質が存在する場合には、極微量物質から蛍光が発生し、水溶液中にラベリングされた極微量物質が存在しない場合には、蛍光は発生しない。

そして、ナノ流路部４１において蛍光が発生した場合、該蛍光は、水溶液の流出側及び流入側に向かって伝搬する。そして、水溶液の流入側に向かって伝搬する蛍光は、反射器４４で反射され、該反射された蛍光は、水溶液の流出側に向かって伝搬する。

次いで、ナノ流路部４１を通過した蛍光（伝搬光）が、光出力用ナノ光ファイバー３４とナノキャピラリー３２（接続部４２）との接続領域に到達すると、その接続領域に形成されたマイクロファイバーカプラの作用により、蛍光の一部が分岐して、光出力用ナノ光ファイバー３４の内部に入射される。その後、この光出力用ナノ光ファイバー３４の内部に入射された光を、フォトダイオードで検出し、該検出した光信号に基づいて、極微量物質の有無を判別する。この際、例えば、検出された蛍光成分の光強度等に基づいて、極微量物質の有無を判別することができる。

［極微量物質の検出システム］
（１）検出システムの構成
次に、図９を参照しながら、上述した極微量物質の検出動作を実現するための検出システムの一構成例について説明する。なお、図９は、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１を備える極微量物質の検出システムの概略ブロック構成図である。

検出システム５０は、キャピラリーナノファイバー３１と、キャピラリー保持装置５１と、励起光源５２と、フォトダイオード５３（光検出部）と、フィルタ５４と、判別回路５５とを備える。

なお、図９には示さないが、本実施形態の検出システム５０の外部には、上記第１の実施形態と同様に、キャピラリーナノファイバー３１の内部に水溶液（サンプル）を流動させるための流動装置が設けられる。具体的には、水溶液の流動手法としてポンプを用いる場合には、ポンプが流動装置として設けられる。一方、水溶液の流動手法として電気泳動法を用いる場合には、キャピラリーナノファイバー３１内部の水溶液に対して、キャピラリーナノファイバー３１の延在方向に沿って電界を印加するための高圧電源装置（電界印加装置）が流動装置として設けられる。なお、これらの流動装置が検出システム５０に含まれていてもよい。

キャピラリー保持装置５１は、第１保持部５１ａと、第２保持部５１ｂとを有する。しかしながら、本実施形態では、キャピラリー保持装置５１は、アクチュエータを備えない。なお、本実施形態における第１保持部５１ａ及び第２保持部５１ｂは、上記第１の実施形態の第１保持部２１ａ及び第２保持部２１ｂとそれぞれ同じ構成であるので、ここでは、これらの構成の説明を省略する。

励起光源５２は、所定の励起光Ｌｅ（例えば、赤色光等）を、ナノキャピラリー３２のナノ流路部４１に射出する。この際、励起光源５２から射出される励起光Ｌｅの種類は、極微量物質のラベリング態様に応じて適宜変更される。なお、図９に示す例では、励起光源５２から射出された励起光Ｌｅが直接、ナノ流路部４１に照射される構成例を示すが、本発明はこれに限定されない。励起光源５２から射出された励起光Ｌｅが、光学系を介して間接的に、ナノ流路部４１に照射されるような構成にしてもよい。

フォトダイオード５３は、キャピラリーナノファイバー３１の光出力用ナノ光ファイバー３４か射出された光（出射光Ｌｏ）を検出する。

フィルタ５４は、フォトダイオード５３に電気的に接続され、フォトダイオード５３で検出された信号のうち、蛍光成分の検出信号を通過させる。

判別回路５５は、フィルタ５４に電気的に接続され、フィルタ５４を通過した蛍光成分の検出信号を取得する。そして、判別回路５５は、取得した蛍光成分の検出信号に基づいて、水溶液（サンプル）中に極微量物質が存在するか否かを判別する。この際、判別回路５５は、例えば、検出された蛍光成分の強度（検出信号の振幅）等に基づいて、極微量物質の有無を判別する。

なお、判別回路５５は、判別結果を表示する機能を備えていてもよいし、判別結果を記憶する機能を備えていてもよい。さらに、判別回路５５は、判別結果を音声や光等により報知する機能を備えていてもよい。また、本実施形態では、これらの極微量物質の判別結果の表示機能、記憶機能及び報知機能が、それぞれ、判別回路５５とは別個の装置として設けられていてもよい。

（２）検出処理
次に、図１０を参照しながら、本実施形態の検出システム５０による極微量物質の検出処理を説明する。なお、図１０は、検出システム５０による極微量物質の検出処理の手順を示すフローチャートである。

まず、ポンプ又は電気泳動により、水溶液（サンプル）をナノキャピラリー３２内に流動させる（ステップＳ１１）。この際、光出力用ナノ光ファイバー３４の接続側とは反対側のキャピラリー本体部４３の貫通孔３２ａの開口から水溶液を流入し、光出力用ナノ光ファイバー３４の接続側のキャピラリー本体部４３の貫通孔３２ａの開口から水溶液を流出させる。

次いで、励起光源５２は、所定の励起光をナノキャピラリー３２のナノ流路部４１に照射する（ステップＳ１２）。

次いで、光出力用ナノ光ファイバー３４は、ナノ流路部４１を伝搬する光（蛍光）の一部を、マイクロファイバーカプラ作用により取り込む（ステップＳ１３）。次いで、フォトダイオード５３は、光出力用ナノ光ファイバー３４から射出された光（出射光Ｌｏ）を検出する（ステップＳ１４）。

次いで、判別回路５５は、フォトダイオード５３及びフィルタ５４を介して取得した蛍光成分の検出信号に基づいて、極微量物質が水溶液（サンプル）中に含まれるか否かを判別する（ステップＳ１５）。この際、例えば、判別回路５５は、蛍光成分の検出信号の振幅（強度）が所定値以上であれば、水溶液中に極微量物質が存在すると判定する。なお、この判定処理で用いる蛍光成分の検出信号の閾値は、例えば極微量物質のラベリング態様（種別）等に応じて適宜設定される。

［各種効果］
上述した本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１及びそれを備える検出システム５０では、上記第１の実施形態と同様に、極微量物質の検出時に、ナノキャピラリー３２内のフェムトリットルオーダーの極微小領域に水溶液（サンプル）及び蛍光が局在した状態となる。それゆえ、本実施形態では、検査に必要なサンプルの計測量は、フェムトリットルオーダーの極微小量で足りることになる。すなわち、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１及びそれを備える検出システム２０では、上記第１の実施形態と同様に、極微小量のサンプルで極微量物質の有無を検出することができる。

また、本実施形態の検出システム５０では、ラベリング法により水溶液（サンプル）中の極微量物質（単一分子レベルの極微量分子）を検出する。それゆえ、本実施形態では、従来同様、簡易な構成で且つ高感度（１０^−５［ＲＩＵ］以下）で極微量物質を検出することができる。また、本実施形態では、ナノキャピラリー３２のナノ流路部４１に設けられた反射器４４により、より高強度の蛍光を検出することができる。それゆえ、本実施形態では、単一のキャピラリーナノファイバー３１により、極微量物質を、より高感度で検出することができる。

また、本実施形態では、キャピラリーナノファイバー３１のナノ流路部４１を、従来のシリカ製キャピラリー管の一部を加熱延伸して作製することができるので、高光透過率を有するナノ流路部４１を備えたキャピラリーナノファイバー３１を再現性良く作製することができる。

また、本実施形態では、ナノキャピラリー３２は、従来のシリカ製キャピラリー管の一部を加熱延伸して構成され、且つ、光出力用ナノ光ファイバー３４はナノキャピラリー３２に加熱融着等の手法により接続される。それゆえ、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１の構成は、より簡易な構成となる。

また、本実施形態のキャピラリーナノファイバー３１を備える検出システム５０もまた、上記第１の実施形態と同様に、コンパクトに構成することができ、その操作等も簡便である。それゆえ、本実施形態では、検出システム５０を、例えば、従来のバイオ／ケミカル検出システムに容易に組み込むことができ、その場計測を実現することができる。

また、本実施形態の検出技術は、ラベリング法による極微量物質の検出技術であるので、オフラインでラベリング処理を行う必要がある。それゆえ、インライン計測の観点では、本実施形態の検出技術より上記第１の実施形態の検出技術（ラベリングフリー法）の方が優位である。しかしながら、ラベリング法はラベリングフリー法に比べて、検出原理上、極微量物質の検出が容易である。また、図９と図５との比較から明らかなように、本実施形態の検出システム５０の構成は、上記第１の実施形態の検出システム２０の構成に比べてより簡易となる。すなわち、極微量物質の検出容易性及び検出システムの簡易性という観点では、上記第１の実施形態の検出技術より本実施形態の検出技術の方が優位である。

＜各種変形例＞
本発明に係るキャピラリーナノファイバー、それを備える検出システム、及び、該検出システムを用いた極微量物質の検出方法は、上記各種実施形態で説明した例に限定されない。特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限り、その他種々の変形例も本発明に含まれる。例えば、次のような各種変形例も本発明に含まれる。

［変形例１］
上記第１の実施形態では、ナノキャピラリー２にプローブ光Ｌｐを入射するための光入力用ナノ光ファイバー３と、ナノ流路部１１の共振器１４を通過したプローブ光Ｌｐの一部を取り出すための光出力用ナノ光ファイバー４とを別個に設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。

例えば、光入力用ナノ光ファイバーを光出力用ナノ光ファイバーとしても用いてもよい。すなわち、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。この場合、ナノ流路部１１の共振器１４から反射したプローブ光Ｌｐの一部を取り出して、極微量物質を検出する。変形例１では、その一構成例を説明する。

（１）キャピラリーナノファイバーの構成
図１１は、変形例１のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。なお、図１１に示す変形例１のキャピラリーナノファイバー６０において、図１に示す上記第１の実施形態のキャピラリーナノファイバー１と同様の構成には、同じ符号を付して示す。

この例のキャピラリーナノファイバー６０は、ナノキャピラリー２と、ナノ光ファイバー６１とを備える。なお、この例のナノキャピラリー２の構成は、上記第１の実施形態のそれと同様の構成であり、この例のナノ光ファイバー６１の構成は、上記第１の実施形態の光入力用ナノ光ファイバー３と同様の構成である。

また、この例のキャピラリーナノファイバー６０では、ナノ光ファイバー６１の一部が、ナノキャピラリー２の一方（液体流入側）の接続部１２の外周面に接続される。なお、ナノ光ファイバー６１は、例えば加熱融着等の手法により対応する接続部１２に接続される。これにより、ナノ光ファイバー６１とナノキャピラリー２との接続領域には、マイクロファイバーカプラが構成される。

すなわち、この例のキャピラリーナノファイバー６０の構成は、上記第１の実施形態のキャピラリーナノファイバー１において、光出力用ナノ光ファイバー４を設けない構成である。

この例のキャピラリーナノファイバー６０では、ナノ光ファイバー６１により、プローブ光Ｌｐがナノキャピラリー２に入力されるとともに、ナノ流路部１１の共振器１４で反射された伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の一部を出射光Ｌｏとして取り出す。そして、ナノ光ファイバー６１により取り出された出射光Ｌｏをフォトダイオードで検出する。その後は、上記第１の実施形態と同様にして、フォトダイオードの検出結果に基づき、ナノキャピラリー２の共振器１４の実効共振器長をフィードバック制御するとともに、極微量物質を検出する。

（２）検出システムの構成
次に、図１２を参照しながら、上述した変形例１のキャピラリーナノファイバー６０を備えた極微量物質の検出システムの一構成例について説明する。図１２は、この例のキャピラリーナノファイバー６０を備えた極微量物質の検出システムの概略ブロック構成図である。なお、図１２に示す変形例１の検出システム７０において、図５に示す上記第１の実施形態の検出システム２０と同様の構成には、同じ符号を付して示す。

この例の検出システム７０は、キャピラリーナノファイバー６０と、キャピラリー保持装置２１と、直流電源回路２２と、電圧表示装置２３と、レーザー光源２４と、光学系２５と、ビームスプリッタ７２と、フォトダイオード２６と、高周波変調器２７と、ロックイン回路２８とを備える。なお、この例の検出システム７０に含まれる、キャピラリー保持装置２１、直流電源回路２２、電圧表示装置２３、レーザー光源２４、光学系２５、フォトダイオード２６、高周波変調器２７及びロックイン回路２８の構成は、上記第１の実施形態の対応する構成と同様である。それゆえ、ここでは、これらの構成の説明は省略する。

図１２と図５との比較から明らかなように、この例の検出システム７０の構成は、上記第１の実施形態の検出システム２０において、キャピラリーナノファイバー１の代わりにこの例のキャピラリーナノファイバー６０を用い、さらに、構成要素としてビームスプリッタ７２を追加した構成である。

ビームスプリッタ７２は、ナノ光ファイバー６１に入射するプローブ光Ｌｐと、ナノ光ファイバー６１からの出射光Ｌｏ（共振器１４からの反射光の一部）とを分離する光学部材であり、例えば、ハーフミラー等の光学部材で構成することができる。そして、ビームスプリッタ７２は、ナノ光ファイバー６１からの出射光Ｌｏの一部をフォトダイオード２６に向かって反射する。

この例の検出システム７０においても、上記第１の実施形態と同様に、共振器１４の実効共振器長をフィードバック制御することができ、その際に参照される実効共振器長の調整量に基づいて、極微量物質の有無を検出することができる。それゆえ、この例の検出システム７０においても、上記第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、図１１及び図１２に示す例では、ビームスプリッタ７２を用いて、プローブ光Ｌｐ（入射光）と出射光Ｌｏとを分離する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ナノ光ファイバーの一部においてファイバーが分岐した構造を有するナノ光ファイバー、すなわち、光ファイバーカプラ機能を備えたナノ光ファイバーを用いて、プローブ光Ｌｐと出射光Ｌｏとを分離する構成にしてもよい。

［変形例２］
上記第１の実施形態では、ナノキャピラリー２のナノ流路部１１に、同一形状の複数の微小凹部１５を等間隔で一列に配列して共振器１４を構成する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）に対して同様の共振作用を及ぼす共振器であれば、任意の構成の共振器を用いることができる。ここでは、図面を参照しながら、共振器の各種変形例（変形例２−１〜２−４）について説明する。

（１）変形例２−１
変形例２−１では、２つの反射器を互いに所定距離、離して配置して構成した共振器の例を説明する。図１３Ａ及び１３Ｂは、変形例２−１のキャピラリーナノファイバーにおける共振器の概略構成図である。なお、図１３Ａ及び１３Ｂでは、説明を簡略化するため、ナノキャピラリーに設けられた共振器の形成領域付近（ナノキャピラリーの中央部付近）の構成のみを示し、キャピラリーナノファイバーのその他の構成部分の図示を省略する。

図１３Ａに示すキャピラリーナノファイバー８０では、共振器８２は、ナノキャピラリーのナノ流路部８１の外周面に形成された、第１反射器８３と、第２反射器８４とにより構成され、第２反射器８４は、ナノ流路部８１の延在方向において、第１反射器８３から所定距離、離れて配置される。

第１反射器８３は、ナノ流路部８１の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部８３ａで構成され、第２反射器８４は、ナノ流路部８１の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部８４ａで構成される。図１３Ａに示す例では、各微小凹部８３ａの開口形状は円形であり、各微小凹部８３ａの開口サイズ及び微小凹部８３ａのピッチは均一とする。なお、微小凹部８３ａのピッチは、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。また、この例では、第２反射器８４の構成は、第１反射器８３の構成と同じにする。それゆえ、ここでは、第２反射器８４の構成の説明は省略する。

このような構成の共振器８２は、例えば、上記第１の実施形態で説明した図３の製造装置２００を用いて形成することができる。なお、この場合、例えばレーザー光源２１１ａ（フェムト秒パルスレーザー）から射出された光の光路の中央に所定幅（例えば、１００μｍ程度等）の不透明物体（例えば、銅ワイヤやタングステンワイヤ等）を配置し、その状態で、レーザー光をナノ流路部８１に射出する。具体的には、不透明物体は、例えば、図３の製造装置２００内の集光レンズ２１２ａの直前の光路上、＋１次の回折光Ｌ１の光路上、又は、−１次の回折光Ｌ２の光路上などに配置される。

これにより、ナノ流路部８１には回折光の干渉縞が発生し、複数の微小凹部８３ａからなる第１反射器８３、及び、複数の微小凹部８４ａからなる第２反射器８４が形成される。また、この際、ナノ流路部８１内の干渉縞の発生領域の中央には不透明物体の影響により光が照射されない領域が発生し、これにより、第１反射器８３及び第２反射器８４間の微小凹部が形成されない領域が形成される。

図１３Ａに示す構成の共振器８２においても、第１反射器８３及び第２反射器８４間の距離を適宜設定することにより、上記第１の実施形態の共振器１４と同様の共振作用が得られる。また、図１３Ａに示す共振器８２のように、一対の反射器で共振器を構成した場合、Ｑ値をより高くすることが可能になる。

なお、図１３Ａに示す例では、第１反射器８３の構成が、第２反射器８４の構成と同じ（反射率が互いに同じ）である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の出射側に設けられる反射器の反射率が伝搬光の入射側に設けられる反射器の反射率より低くなるように構成してもよい。

また、図１３Ａに示す構成の共振器８２を備えるキャピラリーナノファイバー８０は、上記第１の実施形態（図１参照）と同様に、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの２つのナノ光ファイバーを備える構成であってもよい。さらに、図１３Ａに示す構成の共振器８２を備えるキャピラリーナノファイバー８０では、上記変形例１（図１１参照）と同様に、ナノ光ファイバーが１つだけ設けられ、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。

図１３Ｂに示すキャピラリーナノファイバー８５では、共振器８７は、ナノキャピラリーのナノ流路部８６の中央部の外周面に形成された、第１反射器８８と、第２反射器８９とにより構成され、第２反射器８９は、ナノ流路部８６の延在方向において、第１反射器８８から所定距離、離れて配置される。

第１反射器８８は、ナノ流路部８６の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部８８ａで構成され、第２反射器８９は、ナノ流路部８６の延在方向に沿って一列に配列された複数の微小凹部８９ａで構成される。なお、図１３Ｂに示す例では、微小凹部のピッチは、均一とし、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。

しかしながら、図１３Ｂに示す例では、各微小凹部の開口形状は円形であるが、その開口サイズは、不均一とする。具体的には、一方の反射器に形成された複数の微小凹部の開口サイズが、他方の反射器から離れる方向に向かって徐々に小さくなるように形成される。それゆえ、一方の反射器において、対向する他方の反射器に最も近い位置に形成された微小凹部の開口サイズが最も大きくなる。

このような構成の共振器８７もまた、例えば、上記第１の実施形態で説明した図３の製造装置２００を用いて形成することができる。具体的には、例えばレーザー光源２１１ａ（フェムト秒パルスレーザー）から射出された光の光路の中央に所定幅（例えば、１００μｍ程度等）の不透明物体（例えば、銅ワイヤやタングステンワイヤ等）を配置し、その状態で、光をナノ流路部８６に照射する。なお、この際、図３に示す光照射形態から、ナノ流路部８６を光の入射方向に対して所定角度、傾けた状態で光をナノ流路部８６に照射する。この場合、ナノ流路部８６に発生する干渉縞の明部又は暗部の幅が、ナノ流路部８６の延在方向に沿って変化し、その結果、微小凹部の開口サイズもナノ流路部８６の延在方向に沿って変化する。このような作製手法により、図１３Ｂに示す構成の共振器８７を形成することができる。なお、上記作製手法において、不透明物体は、例えば、図３の製造装置２００内の集光レンズ２１２ａの直前の光路上、＋１次の回折光Ｌ１の光路上、又は、−１次の回折光Ｌ２の光路上などに配置される。

図１３Ｂに示す構成の共振器８７においても、各反射器の構成、並びに、第１反射器８８及び第２反射器８９間の距離を適宜設定することにより、図１３Ａに示す共振器８２と同様の共振作用が得られる。

なお、図１３Ｂに示す例では、第１反射器８８の構成が、第２反射器８９の構成と同じ（反射率が互いに同じ）である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の出射側に設けられる反射器の反射率が伝搬光の入射側に設けられる反射器の反射率より低くなるように構成してもよい。

また、図１３Ｂに示す第１反射器８８及び第２反射器８９の一方を、上記第２の実施形態の反射器４４（図８参照）の代わりに用いてもよい。なお、この場合、開口サイズが最も大きい微小凹部が、液体流出側に位置するように反射器を配置することが好ましい。

また、図１３Ｂに示す構成の共振器８７を備えるキャピラリーナノファイバー８５は、上記第１の実施形態（図１参照）と同様に、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの２つのナノ光ファイバーを備える構成であってもよい。さらに、図１３Ｂに示す構成の共振器８７を備えるキャピラリーナノファイバー８５では、上記変形例１（図１１参照）と同様に、ナノ光ファイバーが１つだけ設けられ、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。

（２）変形例２−２
上記第１の実施形態及び変形例２−１では、ナノキャピラリー２のナノ流路部１１に、開口形状が円形である複数の微小凹部を形成して共振器を構成する例を説明したが、変形例２−２では、円筒状のナノ流路部の外周面において、その周回方向に沿って形成された複数の微小溝により共振器を形成する例を説明する。

図１４は、変形例２−２のキャピラリーナノファイバーを構成するナノキャピラリーの概略構成図である。なお、図１４では、説明を簡略化するため、ナノキャピラリーに設けられた共振器の形成領域付近（ナノキャピラリーの中央部付近）の構成のみを示し、キャピラリーナノファイバーのその他の構成部分の図示を省略する。また、図１４には、上記変形例２−１と同様に、互いに所定距離、離して配置された２つの反射器により構成された共振器の例を示す。

この例のキャピラリーナノファイバー９０では、共振器９２は、ナノ流路部９１の外周面に形成された、第１反射器９３と、第２反射器９４とにより構成され、第２反射器９４は、ナノ流路部９１の延在方向において、第１反射器９３から所定距離、離れて配置される。なお、この例では、第１反射器９３の構成は、第２反射器９４の構成と同じにする。

各反射器は、ナノ流路部９１の外周面において、その周回方向に延在した複数の微小溝９５（凹凸パターン）で構成され、該複数の微小溝９５は、ナノ流路部９１の延在方向に沿って一列に等間隔で配置される。なお、各微小溝９５の例えば、溝の幅、深さ、ピッチ等は、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。また、各反射器は、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）加工法等の手法を用いて形成することができる。

この例の共振器９２においても、各反射器の構成、並びに、第１反射器９３及び第２反射器９４間の距離を適宜設定することにより、上記第１の実施形態の共振器１４及び変形例２−１の共振器８２と同様の共振作用が得られる。

なお、この例では、第１反射器９３の構成が、第２反射器９４の構成と同じ（反射率が互いに同じ）である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の出射側に設けられる反射器の反射率が伝搬光の入射側に設けられる反射器の反射率より低くなるように構成してもよい。

また、この例の複数の微小溝９５を、上記第１の実施形態と同様に、共振器９２の形成領域全体に渡って、等間隔に形成して共振器を構成してもよい。さらに、この例の第１反射器９３及び第２反射器９４の一方を、上記第２の実施形態の反射器４４（図８参照）の代わりに用いてもよい。

また、この例の共振器９２を備えるキャピラリーナノファイバー９０は、上記第１の実施形態（図１参照）と同様に、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの２つのナノ光ファイバーを備える構成であってもよい。さらに、この例の共振器９２を備えるキャピラリーナノファイバー９０では、上記変形例１（図１１参照）と同様に、ナノ光ファイバーが１つだけ設けられ、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。

（３）変形例２−３
上記第１の実施形態及び上記各種変形例では、ナノ流路部の外周面に凹凸パターンを形成して共振器を作製する例を説明したが、変形例２−３では、ナノキャピラリーの外周面に凹凸パターンを形成せず、ナノキャピラリーの延在方向に沿って、屈折率が互いに異なる２つの領域を交互に形成して共振器を作製する例を説明する。

図１５は、変形例２−３のキャピラリーナノファイバーを構成するナノキャピラリーの概略構成図である。なお、図１５では、説明を簡略化するため、ナノキャピラリーに設けられた共振器の形成領域付近（ナノキャピラリーの中央部付近）の構成のみを示し、キャピラリーナノファイバーのその他の構成部分の図示を省略する。また、図１５には、上記変形例２−１と同様に、互いに所定距離、離して配置された２つの反射器により構成された共振器の例を示す。

この例のキャピラリーナノファイバー１００では、共振器１０２は、ナノ流路部１０１に形成された、第１反射器１０３と、第２反射器１０４とにより構成され、第２反射器１０４は、ナノ流路部１０１の延在方向において、第１反射器１０３から所定距離、離れて配置される。なお、この例では、第１反射器１０３の構成は、第２反射器１０４の構成と同じにする。

各反射器は、第１の屈折率を有する複数の領域１０５（第１領域）と、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する複数の領域１０６（第２領域）とを有する。そして、ナノ流路部１０１の延在方向に沿って、領域１０５及び領域１０６を所定間隔で交互に配置することにより、各反射器を構成する。

また、各反射器は、例えばフェーズマスクを用いた手法により形成することができる。具体的には、例えば紫外レーザーやフェムト秒パルスレーザー等の光を、フェーズマスクを介して、ナノ流路部１０１に照射する。この際、ナノ流路部１０１の領域に所定ピッチの干渉縞が形成され、光の照射強度が所定ピッチで変化する。これにより、ナノ流路部１０１に、変質度合いが互いに異なる２つの領域（領域１０５及び領域１０６）が所定ピッチで交互に形成される。すなわち、ナノ流路部１０１に、屈折率の互いに異なる２つの領域（領域１０５及び領域１０６）が所定ピッチで交互に形成される。なお、各反射器の領域１０５又は領域１０６のピッチは、例えば、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）に対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。

この例の共振器１０２においても、各反射器の構成、並びに、第１反射器１０３及び第２反射器１０４間の距離を適宜設定することにより、上記第１の実施形態の共振器１４及び変形例２−１の共振器８２と同様の共振作用が得られる。

なお、この例では、第１反射器１０３の構成が、第２反射器１０４の構成と同じ（反射率が互いに同じ）である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の出射側に設けられる反射器の反射率が伝搬光の入射側に設けられる反射器の反射率より低くなるように構成してもよい。

また、この例の屈折率が互いに異なる２つの領域（領域１０５及び領域１０６）を、上記第１の実施形態と同様に、共振器１０２の形成領域全体に渡って、所定間隔で交互に配置して共振器を構成してもよい。さらに、この例の第１反射器１０３及び第２反射器１０４の一方を、上記第２の実施形態の反射器４４（図８参照）の代わりに用いてもよい。

また、この例の共振器１０２を備えるキャピラリーナノファイバー１００は、上記第１の実施形態（図１参照）と同様に、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの２つのナノ光ファイバーを備える構成であってもよい。さらに、この例の共振器１０２を備えるキャピラリーナノファイバー１００では、上記変形例１（図１１参照）と同様に、ナノ光ファイバーが１つだけ設けられ、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。

（４）変形例２−４
上記第１の実施形態及び上記各種変形例では、ナノキャピラリーに直接、共振器を形成する例を説明したが、変形例２−４では、共振器をナノキャピラリーとは別部材で作製する例を説明する。

図１６は、変形例２−４のキャピラリーナノファイバーの概略構成図である。なお、図１６には、説明を簡略化するため、ナノキャピラリーのナノ流路部及び接続部の領域付近の構成のみを示し、その他の構成部分の図示を省略する。また、図１６には、上記変形例２−１と同様に、互いに所定距離、離して配置された２つの反射器（グレーティング）により構成された共振器の例を示す。

この例のキャピラリーナノファイバー１１０は、ナノキャピラリー１１１と、光入力用ナノ光ファイバー１１２と、光出力用ナノ光ファイバー１１３と、光学的機能部材１１４とを備える。なお、光入力用ナノ光ファイバー１１２及び光出力用ナノ光ファイバー１１３の構成は、上記第１の実施形態の対応する構成と同様であるので、ここでは、これらの構成の説明を省略する。

ナノキャピラリー１１１は、従来のシリカ製のキャピラリー管を加熱延伸して作製される。それゆえ、ナノキャピラリー１１１は、外径が伝搬光（プローブ光Ｌｐ）の波長程度以下のサイズ（数ミクロンオーダーからサブミクロンオーダーのサイズ）であるナノ流路部１１１ａと、ナノ流路部１１１ａの各端部に接続された接続部１１１ｂと、各接続部１１１ｂのナノ流路部１１１ａ側とは反対側の端部に設けられたキャピラリー本体部（不図示）とを備える。

ナノ流路部１１１ａの外径はプローブ光Ｌｐの波長程度以下のサイズに設定されているので、光入力用ナノ光ファイバー１１２からナノキャピラリー１１１に入力されたプローブ光Ｌｐは、ナノ流路部１１１ａにおいて、近接場光として伝搬し、該プローブ光Ｌｐの一部が周囲の領域（自由空間）にしみ出した状態で伝搬する。すなわち、ナノ流路部１１１ａにプローブ光Ｌｐが伝搬した際には、ナノ流路部１１１ａ及びその周囲の表面付近には、近接場ｎｆ（図１６中の破線）が生成される。

光学的機能部材１１４は、例えば、石英、ポリマー等の光透過性材料で形成された板状部材である。そして、光学的機能部材１１４の一方の表面には、図１６に示すように、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６（凹凸構造体）からなる共振器１１７が形成される。

なお、この例では、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６間の対向方向に沿って、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６を１次元的に配置し、且つ、両者を所定距離、離して配置する。また、この際、各グレーティング部を構成する複数の凸部の周期方向（凸部の延在方向と直交する方向）が、ナノ流路部１１１ａの延在方向（プローブ光Ｌｐの伝搬方向）と一致するように、各グレーティング部を配置する。なお、凸部のピッチは、均一であり、ナノ流路部１１１ａを伝搬するプローブ光Ｌｐに対してブラッグの反射条件が満たされるように設定される。

各グレーティング部は、光学的機能部材１１４の一方の表面に一体的に形成され、例えば、ＦＩＢ加工法、フォトエッチング法、ナノインプリント法等の従来の半導体加工技術で用いられる手法により形成することができる。

この例のキャピラリーナノファイバー１１０では、図１６に示すように、光学的機能部材１１４は、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１６の形成面がナノ流路部１１１ａと対向するように配置される。この際、ナノ流路部１１１ａにプローブ光Ｌｐを伝搬させたときにナノ流路部１１１ａ及びその周囲に生成される近接場ｎｆが、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６の凸部の上端を含む一部と重なるように、ナノ流路部１１１ａ及び光学的機能部材１１４間の距離が設定される。なお、ナノ流路部１１１ａは、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６に接触していてもよいし、離れていてもよい。

このように、ナノ流路部１１１ａと光学的機能部材１１４とを配置すると、ナノ流路部１１１ａを伝搬するプローブ光Ｌｐが、共振器１１７の形成領域において、所定間隔で交互に配置された凸部領域及び凸部間領域の影響、すなわち、所定間隔で交互に配置された屈折率が互いに異なる２つの領域の影響を受ける。それゆえ、この例の共振器１１７においても、各グレーティング部の構成、並びに、第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６間の距離を適宜設定することにより、上記第１の実施形態の共振器１４及び変形例２−１の共振器８２と同様の共振作用が得られる。

また、この例のキャピラリーナノファイバー１１０では、上述のように、共振器１１７が設けられた光学的機能部材１１４が、ナノキャピラリー１１１とは別部材として設けられる。それゆえ、例えば極微量物質の検出状況などが変化しても、例えば、ナノキャピラリー１１１と光学的機能部材１１４との配置関係を適宜調整することにより、最適な検出感度で極微量物質を検出することができる。すなわち、この例のキャピラリーナノファイバー１１０では、様々な検出状況に対して、柔軟に対応することができる。

なお、この例では、第１グレーティング部１１５の構成が、第２グレーティング部１１６の構成と同じ（反射率が互いに同じ）である例を説明するが、本発明はこれに限定されない。例えば、プローブ光Ｌｐの出射側に位置する第２グレーティング部１１６の反射率がプローブ光Ｌｐの入射側に位置する第１グレーティング部１１５の反射率より低くなるように構成してもよい。

また、この例では、上記第１の実施形態と同様に、共振器１１７の形成領域全体に渡って、凸部領域及び凸部間領域を所定間隔で交互に配置して共振器を構成してもよい。すなわち、図１６に示す第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６の一方を、共振器１１７の形成領域全体に渡って形成して共振器を構成してもよい。さらに、図１６に示す第１グレーティング部１１５及び第２グレーティング部１１６の一方を、上記第２の実施形態の反射器４４（図８参照）の代わりに用いてもよい。

また、この例では、キャピラリーナノファイバー１１０が、光入力用ナノ光ファイバー１１２及び光出力用ナノ光ファイバー１１３の２つのナノ光ファイバーを備える例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、この例のキャピラリーナノファイバー１１０においても、上記変形例１（図１１参照）と同様に、ナノ光ファイバーを１つだけ設け、一つのナノ光ファイバーで、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーの両方を兼用するような構成にしてもよい。

［変形例３］
上記第１実施形態（図１参照）及び変形例２−４（図１６参照）の各キャピラリーナノファイバーでは、水溶液（サンプル）の流入側に光入力用ナノ光ファイバーを設け、水溶液の流出側に光出力用ナノ光ファイバーを設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。上記第１実施形態及び変形例２−４の各キャピラリーナノファイバーにおいて、例えば、水溶液の流入側に光出力用ナノ光ファイバーを設け、水溶液の流出側に光入力用ナノ光ファイバーを設ける構成にしてもよい。

また、上記第２の実施形態（図７参照）のキャピラリーナノファイバー３１では、水溶液（サンプル）の流入側に反射器４４を設け、水溶液の流出側に光出力用ナノ光ファイバー３４を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。上記第２の実施形態のキャピラリーナノファイバー３１において、例えば、水溶液の流入側に光出力用ナノ光ファイバー３４を設け、水溶液の流出側に反射器４４を設ける構成にしてもよい。

さらに、上記変形例１（図１１参照）のキャピラリーナノファイバー６０では、光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーを兼用するナノ光ファイバー６１を水溶液（サンプル）の流入側に設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。上記変形例１のキャピラリーナノファイバー６０において、例えば、水溶液の流出側に光入力用ナノ光ファイバー及び光出力用ナノ光ファイバーを兼用するナノ光ファイバー６１を設ける構成にしてもよい。

なお、上記変形例２−１〜２−３（図１３〜図１５参照）で説明した各種キャピラリーナノファイバーに対しても、上述した変形例３の各種ナノ光ファイバーの配置形態を適宜適用することができる。

１，３１…キャピラリーナノファイバー、２，３２…ナノキャピラリー、２ａ，３２ａ…貫通孔、３…光入力用ナノ光ファイバー、４，３４…光出力用ナノ光ファイバー、１１，４１…ナノ流路部、１２，４２…接続部、１３，４３…キャピラリー本体部、１４…共振器、１５，４５…微小凹部、２０，５０…検出システム、２１，５１…キャピラリー保持装置、２１ａ，５１ａ…第１保持部、２１ｂ，５１ｂ…第２保持部、２１ｃ…アクチュエータ、２２…直流電源回路、２３…電圧表示装置、２４…レーザー光源、２５…光学系、２６，５３…フォトダイオード、２７…高周波変調器、２８…ロックイン回路、４４…反射器、５２…励起光源、５４…フィルタ、５５…判別回路

Claims (14)

1. 内部に光透過性液体を流通させる貫通孔が形成された光透過性を有する第１管部を含み、該第１管部の外径が、該第１管部の貫通孔に該光透過性液体が流通した状態で該第１管部を伝搬する光の波長以下のサイズであるナノキャピラリーと、
   外径が前記第１管部を伝搬する前記光の波長以下のサイズである第１光導波路を有し、該第１光導波路の一部が前記第１管部の一方の端部側の前記ナノキャピラリー内の所定位置に接続され、該第１光導波路の一部を介して前記ナノキャピラリーを伝搬する前記光の一部を取り込む第１ナノ光ファイバーと、を備える
   キャピラリーナノファイバー。
2. 前記第１管部の貫通孔に該光透過性液体が流通した状態で前記第１管部を伝搬する光に対して所定の共振条件で共振作用を与える共振器を、さらに備える
   請求項１に記載のキャピラリーナノファイバー。
3. 外径が前記第１管部を伝搬する前記光の波長以下のサイズである第２光導波路を有し、該第２光導波路の一部が前記第１管部の他方の端部側の前記ナノキャピラリー内の所定位置に接続され、該第２光導波路の一部を介して前記ナノキャピラリーに前記光を入射する第２ナノ光ファイバーを、さらに備える
   請求項２に記載のキャピラリーナノファイバー。
4. 前記共振器が、前記第１管部の表面に形成された所定周期の凹凸パターンにより構成される
   請求項２又は３に記載のキャピラリーナノファイバー。
5. 前記共振器が、前記第１管部の表面に所定周期で交互に形成された第１の屈折率を有する第１領域と、該第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する第２領域とにより構成される
   請求項２又は３に記載のキャピラリーナノファイバー。
6. 光透過性を有する凹凸構造体で構成された前記共振器が表面に形成された光学的機能部材を、さらに備え、
   前記光学的機能部材が、前記ナノキャピラリーに対して、前記第１管部に前記光が伝搬した際に生成される近接場と前記凹凸構造体の一部とが重なるような位置に配置されている
   請求項２又は３に記載のキャピラリーナノファイバー。
7. 前記第１管部の他方の端部側の前記第１管部内の所定位置に設けられ、前記第１管部の貫通孔に前記光透過性液体が流通した状態で前記第１管部を伝搬する光のうち、前記第１管部の他方の端部側に向かって伝搬する光成分の一部を反対方向に反射させる反射器を、さらに備え、
   前記第１管部を伝搬する光が、前記光透過性液体に含まれる、ラベリングされた所定の極微量物質から発生した蛍光である
   請求項１に記載のキャピラリーナノファイバー。
8. 前記ナノキャピラリーは、さらに、
   前記第１管部の前記光透過性液体の流出側に配置され、前記第１管部に形成された貫通孔の直径より大きな直径を有する貫通孔が内部に形成された光透過性を有する第２管部と、
   前記第１管部の前記光透過性液体の流入側に配置され、前記第１管部に形成された貫通孔の直径より大きな直径を有する貫通孔が内部に形成された光透過性を有する第３管部と、
   前記第１管部の前記光透過性液体の流出側端部と前記第２管部との間を接続し、前記第１管部の貫通孔と前記第２管部の貫通孔とを連通させる貫通孔が内部に形成され、且つ、外径が前記第１管部の前記光透過性液体の流出側端部から前記第２管部に向かって連続的に大きくなる第４管部と、
   前記第１管部の前記光透過性液体の流入側端部と前記第３管部との間を接続し、前記第１管部の貫通孔と前記第３管部の貫通孔とを連通させる貫通孔が内部に形成され、且つ、外径が前記第１管部の前記光透過性液体の流入側端部から前記第３管部に向かって連続的に大きくなる第５管部と、を有し、
   前記第１ナノ光ファイバーの前記第１光導波路の一部が、前記第４管部又は前記第５管部に接続されている
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のキャピラリーナノファイバー。
9. 内部に光透過性液体を流通させる貫通孔が形成された光透過性を有する第１管部を含み、該第１管部の外径が、該第１管部の貫通孔に該光透過性液体が流通した状態で該第１管部を伝搬する光の波長以下のサイズであるナノキャピラリーと、
   外径が前記第１管部を伝搬する前記光の波長以下のサイズである第１光導波路を有し、該第１光導波路の一部が前記第１管部の一方の端部側の前記ナノキャピラリー内の所定位置に接続され、該第１光導波路の一部を介して前記ナノキャピラリーを伝搬する前記光の一部を取り込む第１ナノ光ファイバーと、
   前記第１ナノ光ファイバーで取り込まれた前記光の一部を検出する光検出部と、を備え、
   前記光検出部の検出結果に基づいて、前記光透過性液体に含まれる所定の極微量物質を検出する
   検出システム。
10. 前記第１管部の貫通孔に該光透過性液体が流通した状態で前記第１管部を伝搬する光に対して所定の共振条件で共振作用を与える共振器と、
    外径が前記第１管部を伝搬する前記光の波長以下のサイズである第２光導波路を有し、該第２光導波路の一部が前記第１管部の他方の端部側の前記ナノキャピラリー内の所定位置に接続され、該第２光導波路の一部を介して前記ナノキャピラリーに前記光を入射する第２ナノ光ファイバーと、
    前記第２ナノ光ファイバーに前記光を入射する光源と、
    前記光検出部の検出結果に基づいて、前記共振器の共鳴波長を一定に制御するための制御信号を出力する制御部と、
    前記制御部から出力された制御信号に基づいて、前記共振器の共鳴波長が一定になるように、前記共振器の実効共振器長を調整する共振器長調整部と、をさらに備え、
    前記共振器の実効共振器長の調整量に関する情報に基づいて、前記光透過性液体に含まれる前記所定の極微量物質を検出する
    請求項９に記載の検出システム。
11. 前記共振器長調整部が、ＰＺＴアクチュエータである
    請求項１０に記載の検出システム。
12. 前記光透過性液体に含まれる前記所定の極微量物質がラベリングされた極微量物質であり、前記所定の極微量物質から蛍光を発生させるための所定の励起光を射出する励起光源と、
    前記第１管部の他方の端部側の前記第１管部内の所定位置に設けられ、前記第１管部の貫通孔に前記光透過性液体が流通した状態で前記第１管部を伝搬する蛍光のうち、前記第１管部の他方の端部側に向かって伝搬する蛍光成分の一部を反対方向に反射させる反射器
    と、をさらに備える
    請求項９に記載の検出システム。
13. 前記ナノキャピラリーの内部の前記光透過性液体に電界を印加して、電気泳動により前記光透過性液体を流動させる電界印加装置をさらに備える
    請求項９〜１２のいずれか一項に記載の検出システム。
14. 内部に光透過性液体が流通されるキャピラリーと、前記キャピラリーの内部に前記光透過性液体が流通した状態で前記キャピラリーを伝搬する光の一部を取り出す光ファイバーと、前記光ファイバーからの出射光を検出する光検出部とを備える検出システムを用いた極微量物質の検出方法であって、
    前記キャピラリーは、内部に前記光透過性液体を流通させる貫通孔が形成された光透過性を有する管部を含み、該管部の外径が、該管部の内部に前記光透過性液体が流通した状態で該管部を伝搬する光の波長以下のサイズであり、
    前記光ファイバーは、外径が前記管部を伝搬する前記光の波長以下のサイズである光導波路を有し、該光導波路の一部が前記管部の一方の端部側の前記キャピラリー内の所定位置に接続され、
    前記光ファイバーが、前記光導波路の一部を介して前記キャピラリーを伝搬する前記光の一部を取り込むことと、
    前記光検出部が、前記光ファイバーにより取り込まれた前記光の一部を検出することと、を含み、
    前記光検出部の検出結果に基づいて、前記光透過性液体に含まれる所定の極微量物質が検出される
    検出方法。